Sintesi di un filtro solare ed antiossidante naturale in E. coli. / Synthesizing a Natural Sunscreen and Antioxidant in E. coli
Sintesi di un filtro solare ed antiossidante naturale in E. coli. / Synthesizing a Natural Sunscreen and Antioxidant in E. coli
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
I ricercatori dell'Università di Jiangnan hanno creato delle "fabbriche cellulari" microbiche per produrre in modo sostenibile il gadusolo, un composto con proprietà protettive dai raggi UV, che potrebbe in futuro essere utilizzato come ingrediente per le creme solari e come additivo antiossidante.
Il gadusolo, presente nelle uova di diversi pesci ed altri organismi marini, contribuisce a proteggere dai danni causati dai raggi ultravioletti. Tuttavia, "è raro in natura e la sua estrazione è inefficiente e può comportare costi ambientali", ha affermato il responsabile della ricerca, Ping Zhang, PhD. "Vogliamo trovare un modo scalabile e più ecologico per produrre gadusolo". I precedenti tentativi di ottenere gadusolo si sono basati principalmente sull'estrazione da uova o tessuti di pesce in specifici momenti dello sviluppo. Per il loro studio, invece di estrarre la molecola dalla natura, il gruppo ha trasformato i microbi in mini fabbriche chimiche, aumentando la resa di oltre 90 volte.
I ricercatori hanno pubblicato i risultati delle loro ricerche sulla rivista Trends in Biotechnology, in un articolo intitolato " Escherichia coli ingegnerizzato multidimensionalmente per un'efficiente biosintesi del gadusolo con analisi quantitativa ad alto rendimento" , in cui si concludeva: "Questo lavoro fornisce preziose informazioni sulla biosintesi del gadusolo e stabilisce una solida base per future indagini sulla fattibilità delle sue applicazioni industriali".
Come fanno i pesci a sopravvivere alla luce del sole in mare aperto senza scottarsi? Producono la loro protezione solare naturale. Il gadusolo è "un composto cicloesenone presente in natura che ha attirato notevole attenzione grazie alle sue potenti proprietà di assorbimento dei raggi UV e alle sue ampie funzionalità biologiche", scrivono gli autori. "Il gadusolo, in quanto composto cicloesenone con potenti proprietà antiossidanti e biologiche, ha mostrato un notevole potenziale per applicazioni in campo farmaceutico, cosmetico e nutraceutico".
Il composto è stato identificato nelle uova di diverse specie ittiche, tra cui il pesce zebra, il salmone e lo storione, nonché negli ecosistemi delle barriere coralline, dove protegge gli embrioni marini ed i coralli dalle radiazioni UV. Inoltre, i ricercatori hanno spiegato: "Oltre al suo ruolo fotoprotettivo, il gadusolo dimostra anche una spiccata attività antiossidante, con estratti di uova di pesce che presentano una capacità di neutralizzazione dei radicali liberi paragonabile a quella dell'acido ascorbico a pH fisiologico e persino un'attività di interruzione della catena superiore contro i radicali perossilici".
Tuttavia, il gruppo ha sottolineato che estrarre il gadusolo dalle uova di pesce è un processo laborioso e costoso, con rese basse. Per il loro studio appena pubblicato, il gruppo ha ricostruito il percorso biosintetico del pesce zebra per la produzione di gadusolo all'interno del batterio Escherichia coli, modificando poi la genetica dei microbi e le condizioni di crescita. "In questo studio, abbiamo ricostruito il percorso biosintetico del gadusolo in E. coli e stabilito una strategia di ingegneria integrata per consentirne una produzione efficiente", hanno affermato.
Queste modifiche hanno aumentato la resa di gadusolo di quasi 93 volte, da 45,2 milligrammi per litro a 4,2 grammi per litro. La proprietà antiossidante del composto ha ispirato una scorciatoia utile, sotto forma di un test di screening basato sul colore. Nel test, un segnale chimico viola diventa giallo quando il gadusolo neutralizza i radicali liberi. Questo cambiamento di colore consente ai ricercatori di identificare rapidamente i ceppi batterici che producono una maggiore quantità del composto. "Rispetto all'analisi chimica tradizionale, questo approccio è più conveniente, efficiente ed economico", ha affermato l'autore senior Ruirui Xu, PhD. "Inoltre, è stato messo a punto un efficiente processo a valle per l'estrazione e la purificazione del gadusolo, rafforzando il potenziale traslazionale di questa piattaforma", hanno osservato gli autori.
Il composto sintetizzato in laboratorio ha mostrato risultati promettenti nei test preliminari di protezione dai raggi UV. "Raggiungere questo livello di produzione in laboratorio è molto promettente", afferma Zhang. "Ciò suggerisce che potremmo essere in grado di soddisfare la futura domanda di ingredienti naturali per la protezione solare attraverso la produzione microbica". Il composto potrebbe offrire più della semplice protezione solare. Negli esperimenti, il gadusolo ha mostrato un'attività antiossidante paragonabile a quella della vitamina C, suggerendo che potrebbe contribuire a neutralizzare i radicali liberi dannosi per le cellule causati dall'esposizione ai raggi UV.
Nel loro articolo, gli autori hanno suggerito che "al di là dell'ottimizzazione su scala di laboratorio, questo lavoro dimostra un percorso pratico e scalabile per la produzione di gadusolo, un cicloesenone naturale, non tossico, con proprietà di protezione dai raggi UV ed antiossidanti". La ricerca si inserisce in un contesto di crescente interesse per le alternative ad alcuni ingredienti convenzionali delle creme solari, che possono irritare la pelle sensibile, danneggiare gli organismi marini o dipendere da prodotti petrolchimici. La combinazione di protezione dai raggi UV ed attività antiossidante del gadusolo potrebbe renderlo un ingrediente interessante per creme solari e prodotti per la cura della pelle. Il gruppo ha inoltre sottolineato: "Consentendo una produzione microbica sostenibile indipendente dall'estrazione marina, questa strategia fornisce un'alternativa rinnovabile ai filtri UV ed agli antiossidanti sintetici che possono sollevare preoccupazioni ambientali o per la salute".
Ma il gadusolo non finirà ancora nelle nostre borse da spiaggia. Lo studio non ha confrontato direttamente il gadusolo con le creme solari commerciali, né ha valutato la sicurezza a lungo termine o la produzione su larga scala. Sarebbe inoltre necessaria l'approvazione normativa. Ciononostante, Xu ritiene che la ricerca fornisca un punto di partenza per l'utilizzo del gadusolo in applicazioni pratiche. Sulla base della tecnologia attuale, prevede di vedere alcuni prodotti sul mercato entro due anni.
"Per le piccole molecole con potenziale applicativo, ci auguriamo che si guardi oltre i metodi di estrazione tradizionali", ha commentato Zhang. "Le fabbriche cellulari microbiche si stanno affermando come un modo più ecologico e sostenibile per trasferire le scoperte di laboratorio all'applicazione pratica".
ENGLISH
Researchers at Jiangnan University have engineered microbial “cell factories” to sustainably produce the UV-protective compound gadusol, a compound that could eventually serve as a sunscreen ingredient and an antioxidant additive.
Found in the eggs of various fish and other marine organisms, gadusol helps protect against ultraviolet damage. However, “it is scarce in nature, and extracting it is inefficient and can carry environmental costs,” said research lead Ping Zhang, PhD. “We want to find a scalable and greener way to produce gadusol.” Previous efforts to acquire gadusol have relied mainly on extraction from fish eggs or tissues at specific developmental timepoints. For their reported study, rather than harvest the molecule from nature, the team turned microbes into mini chemical factories, increasing yield more than 90 times.
The researchers reported on their developments in Trends in Biotechnology, in a paper titled “Multidimensionally engineered Escherichia coli for efficient gadusol biosynthesis with high-throughput quantitative analysis, in which concluded “This work provides valuable insights into gadusol biosynthesis and establishes a solid basis for future investigations into the feasibility of its industrial applications.”
How do fish survive sunlight in the open waters without getting burned? They make their own natural sunscreen. Gadusol is “a naturally occurring cyclohexenone compound that has attracted significant attention due to its potent UV-absorbing properties and broad biological functionalities,” the authors wrote. “Gadusol, as a cyclohexenone compound with potent antioxidant and biological properties, has shown significant potential for applications in pharmaceuticals, cosmetics, and nutraceuticals.”
The compound has been identified in the eggs of various fish species, including zebrafish, salmon, and sturgeon, as well as in coral reef ecosystems, where it shields marine embryos and coral from UV radiation. Moreover, the researchers explained, “Beyond its photoprotective role, gadusol also demonstrates pronounced antioxidant activity, with extracts from fish eggs exhibiting free radical scavenging capacity comparable to that of ascorbic acid under physiological pH and even superior chain-breaking activity against peroxyl radicals.”
However, the team pointed out, extracting gadusol from fish eggs is labor intensive and costly, and results in low yields. For their newly reported study the team rebuilt a zebrafish’s pathway for making gadusol inside the bacterium Escherichia coli, then tweaked the microbes’ genetics and growing conditions. “In this study, we constructed the gadusol biosynthetic pathway in E. coli and established an integrated engineering strategy to enable its efficient production,” they noted.
These modifications increased gadusol yield by nearly 93 times, from 45.2 milligrams per liter to 4.2 grams per liter. The compound’s antioxidant property inspired a useful shortcut, in the form of a color-based screening test. In the test, a purple chemical signal turns yellow when gadusol neutralizes free radicals. This color shift allows researchers to quickly identify bacterial strains that produce more of the compound. “Compared with traditional chemical analysis, this approach is more convenient, efficient, and economical,” said senior author Ruirui Xu,” PhD. “In addition, an efficient downstream process for gadusol extraction and purification was established, strengthening the translational potential of this platform,” the authors noted.
The lab-made compound showed promise in preliminary UV-protection tests. “Achieving this level of production in the lab is very promising,” says Zhang. “It suggests that we may be able to meet future demand for natural sunscreen ingredients through microbial production.” The compound may offer more than just sun protection. In experiments, gadusol showed antioxidant activity comparable to that of vitamin C, suggesting it may help neutralize cell-damaging free radicals from UV exposure.
In their paper the authors suggested that “Beyond laboratory-scale optimization, this work demonstrates a practical and scalable route for manufacturing gadusol, a natural, nontoxic UV-protective, and antioxidant cyclohexenone.” The research comes amid growing interest in alternatives to some conventional sunscreen ingredients, which can irritate sensitive skin, harm marine organisms, or rely on petrochemicals. Gadusol’s combination of UV protection and antioxidant activity could make it an attractive ingredient for sunscreens and skin-care products. The team in addition pointed out, “By enabling sustainable microbial production independent of marine extraction, this strategy provides a renewable alternative to synthetic UV filters and antioxidants that may raise environmental or health concerns.”
But gadusol won’t make it into our beach bags just yet. The study did not compare gadusol head-to-head with commercial sunscreens, nor assess long-term safety or large-scale manufacturing. Regulatory approval would also be needed. Still, Xu believes that the research provides a starting point for moving gadusol toward practical applications. Based on current technology, he expects to start seeing some products appear on the market within two years.
“For small molecules with application potential, we hope people look beyond traditional extraction methods,” Zhang commented. “Microbial cell factories are emerging as a greener and more sustainable way to bring laboratory discoveries into real-world use.”
Da:
https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/synthesizing-a-natural-sunscreen-and-antioxidant-in-e-coli/?_hsenc=p2ANqtz--sHGcjDnt3D1fg3gozqFUl4wxEDX3nqPMxliibBH4IDKQK7fooEdb3EfrN70OVVYO51ukRzY3kdMWQmq9iSPpSNwrUNXvgs4kIB1Zis8gqBv5-FLc&_hsmi=418770365
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