Содержание к диссертации
-
ВВЕДЕНИЕ 5
-
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 11
2.1 Микробиологическое гидроксилирование стероидных соединений 12
-
7(а/р)-гидроксилирование стероидных соединений мицелиальными 13 грибами
-
Дигидроксилирование стероидов в положения 7а и 15а 20 мицелиальными грибами
-
Функционализация кольца D мицелиальными грибами
2.2 Дегидроэпиандростерон и его производные
-
Дегидроэпиандростерон и его производные, их роль человека и животных
-
Гидроксилирование ДГЭА мицелиальными грибами
-
Способы получения дегидроэпиандростерона гидроксилированных производных
-
Получение ДГЭА
-
Химический синтез 7(а/р)-гидроксипроизводных ДГЭА
-
Преимущества микробиологического метода гидроксилированных стероидов.
2.2.4 Ферменты, катализирующие процессы гидроксилирования 32
дегидроэпиандростерона
2.3 Факторы, влияющие на процесс гидроксилирования стероидов 33
мицелиальными грибами
-
Влияние состава питательной среды 33
-
Влияние возраста культуры и величины биомассы 34
-
Влияние рН и температуры 34
-
Влияние способа внесения стероида в трансформационную среду 35
-
Индукция стероидных гидроксилаз 38
2.4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 40
3.1 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 40
-
Реактивы 40
-
Микроорганизмы и их культивирование 40
-
Трансформация ДГЭА грибными культурами 40
-
Биоконверсия ДГЭА Fusarium graminearum F-159 в ростовых условиях 41
-
Биоконверсия ДГЭА Gibberella zeae ВКМ F-2600 41
-
Выращивание G. zeae ВКМ F-2600 и биоконверсия ДГЭА отмытым 41 мицелием
-
Выращивание G. zeae ВКМ F-2600 и биоконверсия ДГЭА в ростовых 42 условиях
-
Оптимизация условий 7а-гидроксилирования ДГЭА G. zeae ВКМ F- 42 2600
-
Трансформация ДГЭА G. zeae ВКМ F-2600 в ферментере АНКУМ 2М 44
-
Аналитические методы 44
-
Масс-спектрометрия 46
-
'Н-ЯМР- и 13С-ЯМР спектроскопия 46
-
Химический синтез Зр-гидроксиандроста-5,7-диен-17-она (7-дегидро- 47 ДГЭА) из 7а-ОН-ДГЭА
-
Получение 0-Зр-трет-бутилдиметилсилилокси-7а-гидроксиандрост-5- 47 ен-17-она и его характеристика
-
Получение 0-ЗР-трет-бутилдиметилсилилокси-7а-хлор-андрост-5-ен- 47 17-она и и его характеристика
-
Получение о-Зр-гидроксиандроста-5,7-диен-17-она (7-дегидро-ДГЭА) 48
и его характеристика 3.1.9.4 Методы анализа стероидных соединений, полученных при химическом 49
синтезе
3.2 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 50
3.2.1 Трансформация ДГЭА мицелиальными грибами 50
-
7а-Гидроксилирование ДГЭА 50
-
7|3-Гидроксшіирование ДГЭА 54
-
7<х,15а-Дигидроксилирование ДГЭА 56
3.2.2 Связь 7-гидроксилирования с сопутствующими реакциями 61
трансформации дегидроэпиандростерона: 17р-восстановлением,
окислением 3-гидроксигруппы и Д5->4-изомеризацией, лактонизацией
по кольцу Д
3.2.3 Оптимизация процесса 7<х,15а-дигидроксилирования ДГЭА штаммом 76
F. graminearum F-159 в ростовых условиях
-
Особенности процесса 7а,15а-дигидроксилирования ДГЭА при 76 различных способах внесения субстрата
-
Биоконверсия ДГЭА штаммом F. graminearum F-159 в присутствии 78 МЦД
-
Влияние времени внесения субстрата на 7а,15а-дигидроксилирование 80 ДГЭА F. graminearum F-159
-
Трансформация ДГЭА штаммом F. graminearum F-159 в ферментёре 81 АНКУМ 2М
3.2.4 Химико-микробиологический синтез Зр-гидроксиандроста-5,7-диен- 84
17-онаизДГЭА
3.2.4.1 Оптимизация процесса получения 7а-ОН-ДГЭА из ДГЭА отмытым 85
мицелием G. zeae ВКМ F-2600
3.2.4.1.1 Влияние источников углерода и азота на 7а-гидроксилирование ДГЭА 86
G. zeae ВКМ F-2600
-
Зависимость 7а-гидроксилазной активности G zeae ВКМ F-2600 от 87 значения рН
-
Зависимость 7а-гидроксилазной активности G. zeae ВКМ F-2600 от 88 возраста и величины биомассы
-
7а-Гидроксилирование ДГЭА G. zeae ВКМ F-2600 в средах с 91 органическими растворителями
-
Влияние ПАВ на 7а-гидроксилазную активность G. zeae ВКМ F-2600 92
-
Влияние концентрации субстрата на 7а-гидроксилирование ДГЭА G. 93 zeae ВКМ F-2600
-
Индукция 7а-гидроксилазной системы штамма G. zeae ВКМ F-2600 94
-
Трансформация ДГЭА штаммом G. zeae ВКМ F-2600 в присутствии 97 МЦД в ростовых условиях
-
Трансформация ДГЭА до 7а-ОН-ДГЭА штаммом G. zeae ВКМ F-2600 97 в ферментёре АНКУМ 2М
-
Химическая конверсия 7а-ОН-ДГЭА в 7-дегидро-ДГЭА 101
-
ВЫВОДЫ 104
-
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 106
-
ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Акт испытаний способа микробиологического дигидроксилирования Зр-гидроксиандрост-5-ен-17-она с образованием Зр,7а,15а-тригидроксиандрост-5-ен-17-она штаммом Fusarium graminearum F-159
-
ПРИЛОЖЕНИЕ 2: Акт испытаний способа микробиологического 7а-гидроксилирования Зр-гидроксиандрост-5-ен-17-она с образованием Зр,7а-дигидроксиандрост-5-ен-17-она культурой G. zeae ВКМ F-2600
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АД - андростендион (андрост-4-ен-3,17-дион)
АДД - андростадиендион (андроста-1,4-диен-3,17-дион)
ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография
ГЖХ - газо-жидкостная хроматография
ДГЭА - дегидроэпиандростерон (ЗР-гидроксиандрост-5-ен-17-он)
ДГЭАС - сульфат дегидроэпиандростерона
1а-ОН-ДГЭА-1а-гидроксидегидроэпиандростерон(1а,ЗР-дигидроксиандрост-5-ен-17-он)
7а-ОН-ДГЭА-7а-гидроксидегидроэпиандростерон(Зр,7а-дигидроксиандрост-5-ен-17-он)
7р-ОН-ДГЭА-7р-гидроксидегидроэпиандростерон(Зр,7р-дигидроксиандрост-5-ен-17-он)
7а,15а-ди-ОН-ДГЭА - 7аД5а-дигидроксидегидроэпиандростерон (Зр,7а,15а-
тригидроксиандрост-5-ен-17-он)
7-дегидро-ДГЭА - 7-ен-дегидроэпиандростерон (Зр-гидроксиандроста-5,7-диен-17-он)
11а-ОН-ДГЭА - 11а-гидроксидегидроэпиандростерон (ЗР,11а-дигидроксиандрост-5-ен-
17-он)
7р,11а-ди-ОН-ДГЭА-7РД la-дигидроксидегидроэпиандростерон (ЗР,7Р,11а-тригидрокси-
андрост-5-ен-17-он)
16а-ОН-ДГЭА - 16а-гидроксидегидроэпиандростерон (Зр,16а-дигидроксиандрост-5-ен-
17-он)
16а-ОН-АД - 1 ба-гидроксиандростендион (16а-гидроксиандрост-4-ен-3,17-дион)
ДМСО - диметилсульфоксид
ДМФА - диметилформамид
ДТ - 1(2)-дегидротестостерон (17р-гидроксиандроста-1,4-диен-3-он)
КССВ — константа спин-спинового взаимодействия
МЦД - метилированное производное р-циклодекстрина
МС - масс-спектрометрия
Т - тестостерон (17Р-гидроксиандрост-4-ен-3-он)
ТГФ - тетрагидрофуран
ТСХ - тонкослойная хроматография
ХФ - хлорамфеникол
ЦД - циклодекстрин
ЦГ - циклогексимид
ЯМР — ядерно-магнитный резонанс
Введение к работе
Актуальность проблемы
Стероиды участвуют в осуществлении разнообразных биологических функций организма животных и человека. В основе механизма действия стероидных гормонов лежит их взаимодействие с соответствующими клеточными рецепторами, которые действуют как факторы регуляции транскрипции и модулируют экспрессию соответствующих генов (Tong and Dong, 2009). Исследования последних лет показали, что ряд ЗР-гидрокси-5-ен-стероидов (называемых также нейростероидами) - дегидроэпиандростерон (ДГЭА, 3(3-гидроксиандрост-5-ен-17-он), сульфат дегидроэпиандростерона (ДГЭАС), прегненолон (ЗР-гидроксипрегн-5-ен-17-он) и др. могут являться аллостерическими регуляторами нейротрансмиттерных рецепторов и изменять возбудимость нейронов при прямом контакте с клеточной поверхностью (Rupprecht and Holsboer, 1999). Показано, что ДГЭА и его 7-гидроксилированные метаболиты обладают также антиглюкокортикоидной и антиоксидантной активностью (Kalimi et al., 1994; Hampl et al., 1997; Pelissier et al., 2004). Помимо этого, положительные эффекты 7а-гидроксидегидроэпиандростерона (7ос-ОН-ДГЭА; ЗР,7а- дигидроксиандрост-5-ен-17-она), полученные в тестовых опытах и в экспериментах на животных, открывают перспективы его использования в лечении болезни Альцгеймера (Lardy, 1994), ожирения (Lardy, 1992), иммунных и эндокринных заболеваний (Rose et al., 2002). Другие гидроксипроизводные ДГЭА (7(3,11<х- дигидроксидегидроэпиандростерон (7Р,11а-ди-ОН-ДГЭА; Зр,7РД1а- тригидроксиандрост-5-ен-17-он), и 7а,15а-дигидроксидегидроэпиандростерон (7а, 15а-ди-ОН-ДГЭА; Зр,7а,15а-тригидроксиандрост-5-ен-17-он)) нашли применение как ключевые интермедиаты синтеза лекарственных препаратов, - дроспиренона и эплеренона (Petzoltd et al., 1984; White et al, 2006).
Получение гидроксилированных производных ДГЭА возможно путем микробиологической трансформации или химического синтеза. Однако химический синтез гидроксипроизводных ЗР-гидроксистероидов проходит с низкой селективностью и небольшим выходом (Defaye et al., 1978; Criton et al., 2007). Более предпочтительным представляется получение гидроксипроизводных ДГЭА с помощью микробиологической трансформации.
Известна способность мицелиальных грибов к эффективному гидроксилированию 3-кетостероидов андростанового и прегнанового рядов (Mahato and Garai, 1997; Fernandes et al., 2003). Между тем, данные о гидроксилировании ЗР- гидрокси-5-ен-стероидов, в том числе ДГЭА, до начала наших исследований были весьма ограничены.
Актуальными задачами являются поиск эффективных штаммов, способных к регио- и стереоспецифическому введению гидроксильных групп в положения 7а, 7р и 7а, 15а ДГЭА без структурной модификации кольца А; изучение их потенциала в качестве продуцентов нейроактивных стероидов и их предшественников, получение новых, потенциально биоактивных 7а-гидроксистероидов, а также поиск путей интенсификации процессов гидроксилирования гидрофобных стероидных субстратов мицелиальными грибами.
Состояние вопроса
Известно, что мицелиальные грибы способны вводить гидроксильную группу в различные положения стероидной молекулы. Основное внимание исследователей в течение долгого времени уделялось микробиологическому гидроксилированию 3-кето-4-ен-стероидов. Определен широкий круг мицелиальных грибов различной таксономической принадлежности, способных осуществлять 7(а/р)-гидроксилирование З-кето-4-ен-стероидов (Mahato and Garai, 1997; Fernandes et al., 2003). Способность к гидроксилированию Зр-ол-5-ен-стероидов была показана для ограниченной группы штаммов - представителей родов Fusarium (Defaye et al., 1978; Cotillon et al., 1997; Kolek, 1999; Wilson et al., 1999), Mucor (Madyastha and Joseph, 1995), Rhizopus (Dodson et al., 1959; Choudhary et al., 2003) и некоторых других родов.
Показано, что замена З-кето-4-ен- на ЗР-гидрокси-5-ен структуру стероидного ядра может приводить к изменению положения введения гидроксильной группы. Например, Mucor piriformis осуществлял преимущественно 14а-гидроксилирование С\д и Сгі стероидов с З-кето-4-ен структурой (Madyastha, 1994), в то же время ДГЭА и прегненолон гидроксилировались этим грибом стереоспецифически в положении 7а с образованием соответствующих 7а-гидроксипроизводных (Madyastha and Joseph, 1995). В ряде случаев реакция гидроксилирования сопровождалась трансформацией Зр-ол-5-ен- в З-кето-4-ен структуру (Charney and Herzog , 1967; Choudhary et al., 2003). Литературные данные по 7а,15а-дигидроксилированию ДГЭА мицелиальными грибами ограничены несколькими работами (Okada and Saito, 1965; Petzoldt et al., 1984; White and Gilbert, 2004; Romano et al., 2006).
Исследований по изучению ферментных систем низших эукариот, ответственных за моногидроксилирование в положениях 7а и 7Р и дигидроксилирование (в положениях 7а и 15а) ЗР-ол-5-ен-стероидов андростанового ряда, практически не проводилось. Изучение ферментной системы, ответственной за 7а-гидроксилирование ДГЭА, было проведено только на культуре Fusarium moniliforme (Cotillon et al., 1997; Cotillon and Morfin, 1999).
Сведения о наличии у мицелиальных грибов активности Байер-Виллигер монооксигеназы - фермента, ответственного за лактонизацию кольца D стероидов были приведены в ряде публикаций (Ахрем и Титов, 1970; Mostava and Zohri, 2000; Bartmanska et al., 2005 и др.). Образование тестололактона (17а-окса-Б-гомо-андрост-4-ен-3,17-диона) из З-кето-4-ен-стероидов (преимущественно, тестестерона (Т, 17р-гидроксиандрост-4-ен-3,17-диона) и прогестерона (прегн-4-ен-3,20-диона)) мицелиальными грибами было выявлено у представителей родов Aspergillus (Mostava and Zohri, 2000), Penicillium (Bartmanska et al., 2005), Fusarium (Plourde et al., 1972). Получение лактонов из С19- и Сг і -стероидов с ЗР-гидрокси-5-ен-структурой без модификации кольца А было показано только для культур Penicillium lilacinum AM 111 (Kolek et al., 2008) и Penicillium camemberti AM 83 (Kolek et al., 2009): штаммы конвертировали прегненолон и ДГЭА до ЗР-гидрокси-17а-окса-0-гомо-андрост-5-ен-17-она. При биоконверсии прегненолона начальным этапом являлась деградация прегнановой боковой цепи с образованием ДГЭА в качестве интермедиата с последующим его окислением до Зр-гидроксилактона (Kolek et al., 2008; Kolek et al., 2009). Сведений об образовании 7-гидроксипроизводных лактонов с Зр-ол-5-ен структурой в доступной литературе не обнаружено.
В целом, анализ данных научной и патентной литературы свидетельствует о наличии ограниченного числа штаммов, представляющих интерес для дальнейшего биотехнологического использования при получении биоактивных стероидов и ключевых интермедиатов на основе 7-гидроксилированных производных ДГЭА. Недостаточно изученной остается также связь 7-гидроксилирования 3-гидрокси-стероидов с лактонизацией по кольцу Д и другими реакциями трансформации, осуществляемыми ферментными системами мицелиальных грибов, - окислением 3-гидроксигруппы, А5_>4-изомеризацией, 17Р - восстановлением, 15а-гидроксилированием.
Цель и задачи работы.
Целью работы являлось изучение гидроксилирования дегидроэпиандростерона в положениях 7а и 7р мицелиальными грибами и разработка биотехнологических методов получения 7-гидроксипроизводных Зр-ол-5-ен-стероидов ряда андростана.
Были поставлены следующие задачи:
1. Оценить гидроксилирующую активность мицелиальных грибов в отношении дегидроэпиандростерона и выявить штаммы, наиболее эффективно осуществляющие гидроксилирование в положениях 7а и 7р без структурной модификации кольца А.
2. Выбрать наиболее активные штаммы, катализирующие стереоселективное дигидроксилирование дегидроэпиандростерона в положениях 7а и 15а.
3. Изучить связь 7-гидроксилирования с сопутствующими реакциями трансформации дегидроэпиандростерона: 15а-гидроксилированием, 17р-восстановлением, окислением 3-гидроксигруппы, Д5_>4-изомеризацией, лактонизацией кольца D.
4. Исследовать особенности трансформации дегидроэпиандростерона наиболее активными штаммами и определить оптимальные условия селективного образования целевых 7-гидроксипроизводных.
5. Разработать биотехнологические способы получения Зр,7а,15а-тригидроксиандрост- 5-ен-17-она и ЗР,7а-дигидроксиандрост-5-ен-17-она из дегидроэпиандростерона с выделением продуктов в кристаллическом виде.
Научная новизна работы.
Исследована трансформирующая активность 487 штаммов 312 видов 89 родов мицелиальных грибов в отношении дегидроэпиандростерона. Большинство штаммов осуществляли гидроксилирование ДГЭА в положении 7а, при этом, наиболее активные представители были выявлены среди родов Actinomucor, Backusella, Benjaminiella, Epicoccum, Fusahum, Phycomyces, Thchothecium, Gongronella, Gliocephalotrichum, Mucor, Rhizomucor, Neurospora и Cunninghamella. Представители родов Bipolaris, Conidiobolus и Curvularia наиболее активно вводили гидроксильную группу в положение 7р. Найдены штаммы, активно проводящие 7а, 15а-дигидроксилирование ДГЭА. При этом высокая активность отмечена для представителей родов Acremonium, Fusarium, Gibberella и Nigrospora. Впервые выявлены штаммы (родов Basidiobohis, Botrytis и Phoma) эффективно восстанавливающие 7а-ОН-ДГЭА с образованием андрост-5-ен-Зр,7а,17Р-триола. Представители родов Drechslera, Eurotium и Sporotrichum активно модифицировали Зр-ол-5-ен группировку ДГЭА в З-кето-4-ен- структуру с образованием андрост-4-ен-3,17-диона. Впервые исследовано 7а-гидроксилирование ДГЭА культурой Gibberella zeae ВКМ F-2600. Найдены условия, обеспечивающие селективное образование 7а-гидроксипроизводного (при совместном использовании твина-80, метилированного р-циклодекстрина и растворителя (этанола или диметилформамида)). Впервые изучены особенности 7а,15а-дигидроксилирования ДГЭА культурой Fusarium graminearum F-159. Установлено, что образование 7а,15а-дигидроксипроизводного является результатом последовательного осуществления реакций 7а-гидроксилирования ДГЭА и 15а-гидроксилирования 7а-гидроксипроизводного ДГЭА.
Впервые выявлена способность штамма рода Spicaria к осуществлению 7(а/Р)-гидроксилирования дегидроэпиандростерона и лактонизации кольца D Зр,7(а/р)-диолов андростанового ряда. Ранее о возможности микробиологического получения лактонов Зр,7(а/р)-диолов андростанового ряда, а также о наличии активности Байер-Виллигер монооксигеназы у грибов рода Spicaria не сообщалось.
Практическая значимость работы.
Найдены штаммы мицелиальных грибов, осуществляющие моногидроксилирование в положениях 7(а/Р) и 7а,15а-дигидроксилирование Зр~ гидроксистероидов без структурной модификации кольца А. Получены микробиологическим путем новые стероидные лактоны - Зр,7(а/р)-дигидрокси-17а- окса-0-гомо-андрост-5-ен-17-оны из дегидроэпиандростерона. Результаты открывают перспективы нового биотехнологического подхода к получению лактонов, потенциально обладающих противоопухолевой и антиандрогенной активностями. Разработаны эффективные биотехнологические методы получения Зр,7а- дигидроксиандрост-5-ен-17-она и Зр,7а,15а-тригидроксиандрост-5-ен-17-она- важных интермедиатов синтеза терапевтических стероидов. Предложен метод комбинированного химико-микробиологического синтеза Зр-гидроксиандрост-5,7-диен-17-она — ценного интермедиата новых производных витамина D. Результаты могут быть использованы при получении биоактивных стероидов и интермедиатов.
Апробация работы.
Материалы диссертации были представлены на российских и международных конференциях: на 9-й Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2005), на II Международной молодежной школе-конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2006), на VI Международной научной конференции «Современное состояние и перспективы развития микробиологии и биотехнологии» (Минск, 2008), на Всероссийском симпозиуме с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов» (Москва, 2009), на ежегодных Отчетных сессиях научных работ ИБФМ РАН (2004, 2006, 2007, 2009).
Основные положения диссертации были представлены на совместном семинаре Лаборатории микробиологической трансформации органических соединений и Лаборатории энзиматической деградации органических соединений.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 5 статей и 6 тезисов.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей описание материалов и методов исследований, изложения результатов и их обсуждения, выводов, списка цитируемой литературы, приложений 1 и 2. Работа содержит 119 страниц машинописного текста, 26 таблиц и 30 рисунков. Библиография включает 180 наименований, из них 149 иностранных работ.
2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Стероиды, органические соединения, которые в своей структуре имеют ядро, образованное гидрированным фенантреном и циклопентаном. В зависимости от структуры боковой цепи при атоме С-17 и наличия метальных групп при атомах С-10 и С-13 стероиды подразделяются на следующие группы: производные эстрана, андростана, прегнана, холана, холестана, эргостана и стероидные соединения, содержащие в боковой цепи один или несколько гетероциклов (карденолид, буфадиенолид и др.) (рис.1). 21СН3
эргостан холестан
Рис.1. Структуры представителей основных стероидных групп.
СН3 СН3 20
В живой эукариотической клетке началом биосинтеза стероидов является образование изопреновых фрагментов из уксусной кислоты, через ацетил кофермент А и мевалоновую кислоту, которые путем конденсации образуют общий предшественник сквален. Циклизация сквалена приводит к образованию структуры стероида (Джафаров с соавт., 2010).
Первые стероидные соединения были выделены из грибов в начале 19 века, а в начале 20 века началось изучение микробиологической трансформации стероидов (Ахрем и Титов, 1970). Открытие терапевтических эффектов кортизола и прогестерона к началу 50-х годов прошлого столетия и выявление 11а-гидроксилазной активности у штаммов рода Rhizopus послужило первым шагом в разработке практического синтеза стероидов с полезными биологическими свойствами. Наибольшее внимание исследователей было сфокусировано на реакциях гидроксилирования, д'-дегидрирования, деградации боковой цепи стеринов (Mahato and Garai, 1997; Feraandes et al., 2003). Исследования в первую очередь были направлены на изучение биотрансформаций для получения природных соединений, проявляющих биологическую активность, или являющихся ключевыми интермедиатами в химическом синтезе получения синтетических стероидов с заданными свойствами. Увеличение числа исследований по трансформации стероидов микроорганизмами связано с тем, что при использовании биокатализатора процесс можно проводить в мягких условиях, не требующих агрессивных сред, повышенных температур и специальных дорогостоящих реактивов.