เมลาโทนินจากจุลินทรีย์ สาหร่าย และพืชเพื่อทดแทนเมลาโทนินสังเคราะห์ ตอนที่ 1

เชิงนามธรรม: ผลิตภัณฑ์เสริมอาหารเมลาโทนินมีการบริโภคกันอย่างแพร่หลายทั่วโลก โดยมีประเทศที่พัฒนาแล้วเป็นผู้บริโภครายใหญ่ที่สุด โดยมีอัตราการเติบโตต่อปีประมาณร้อยละ 10 จนถึงปี 2570 ส่วนใหญ่อยู่ในประเทศกำลังพัฒนา มีการเพิ่มการใช้เมลาโทนินอย่างกว้างขวางเพื่อต่อต้านความผิดปกติของการนอนและปัญหาเฉพาะ เช่น เจ็ตแล็ก ในการใช้งานอื่นๆ เช่น ต่อต้านวัย ต่อต้านความเครียด กระตุ้นระบบภูมิคุ้มกัน ต้านมะเร็ง และอื่นๆ ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการใช้งานโดยทั่วไป โดยไม่ต้องมีใบสั่งยา ปัจจุบันอุตสาหกรรมเคมีครอบคลุมความต้องการของตลาดเมลาโทนินถึงร้อยละ 100 ด้วยแรงจูงใจจากภาคส่วนที่มีพฤติกรรมการบริโภคตามธรรมชาติมากขึ้น ความเป็นไปได้ที่จะได้รับเมลาโทนินจากพืชที่เรียกว่าไฟโตเมลาโทนินเกิดขึ้นเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา เมื่อเร็ว ๆ นี้ อุตสาหกรรมยาได้พัฒนาจุลินทรีย์ดัดแปลงพันธุกรรมซึ่งความสามารถในการผลิตเมลาโทนินตามธรรมชาติในถังปฏิกรณ์ชีวภาพได้รับการปรับปรุง บทความนี้ทบทวนแง่มุมของการสังเคราะห์ทางเคมีและชีวภาพของเมลาโทนินสำหรับการบริโภคของมนุษย์ โดยส่วนใหญ่เป็นผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร มีการวิเคราะห์ข้อดีและข้อเสียของการได้รับเมลาโทนินจากจุลินทรีย์และไฟโตเมลาโทนินจากพืชและสาหร่าย รวมถึงข้อดีของเมลาโทนินจากธรรมชาติ การหลีกเลี่ยงผลพลอยได้ทางเคมีที่ไม่ต้องการจากการสังเคราะห์ทางเคมีของเมลาโทนิน ในที่สุด วิเคราะห์แง่มุมทางเศรษฐกิจและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ใหม่เหล่านี้ ซึ่งบางส่วนได้วางตลาดไปแล้ว

Glycoside ของ cistanche ยังสามารถเพิ่มกิจกรรมของ SOD ในเนื้อเยื่อหัวใจและตับ และลดปริมาณของ lipofuscin และ MDA ในแต่ละเนื้อเยื่อได้อย่างมีประสิทธิภาพ กำจัดอนุมูลออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยาต่างๆ (OH-, H₂O₂ ฯลฯ) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และป้องกันความเสียหายของ DNA ที่เกิดขึ้น โดย OH-อนุมูล Cistanche phenylethanoid glycosides มีความสามารถในการกำจัดอนุมูลอิสระที่แข็งแกร่ง ความสามารถในการลดที่สูงกว่าวิตามินซี ปรับปรุงกิจกรรมของ SOD ในการระงับสเปิร์ม ลดปริมาณของ MDA และมีผลป้องกันบางอย่างต่อการทำงานของเยื่อหุ้มสเปิร์ม โพลีแซคคาไรด์ของ Cistanche สามารถเสริมการทำงานของ SOD และ GSH-Px ในเม็ดเลือดแดงและเนื้อเยื่อปอดของหนูทดลองที่ชราภาพซึ่งเกิดจาก D-galactose รวมทั้งลดปริมาณ MDA และคอลลาเจนในปอดและพลาสมา และเพิ่มเนื้อหาของอีลาสติน ส่งผลดีต่อ DPPH, ยืดเวลาการขาดออกซิเจนในหนูชรา, ปรับปรุงกิจกรรมของ SOD ในซีรั่ม, และชะลอการเสื่อมทางสรีรวิทยาของปอดในหนูชราทดลองที่มีความเสื่อมทางสัณฐานวิทยาของเซลล์, การทดลองแสดงให้เห็นว่า Cistanche มีความสามารถในการต้านอนุมูลอิสระที่ดี และมีศักยภาพในการเป็นยาป้องกันและรักษาโรคชราทางผิวหนัง ในขณะเดียวกัน echinacoside ใน Cistanche มีความสามารถที่สำคัญในการกำจัดอนุมูลอิสระ DPPH และสามารถกำจัดสายพันธุ์ออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยา ป้องกันการเสื่อมสลายของคอลลาเจนที่เกิดจากอนุมูลอิสระ และยังมีผลการซ่อมแซมที่ดีต่อความเสียหายของแอนไอออนจากอนุมูลอิสระของไทมีน

คลิกที่ Cistanche Side Effects Reddit

【สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

คำหลัก: ผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร; จีเอ็มโอ; เมลาโทนิน; จุลินทรีย์ ไฟโตเมลาโทนิน; วัตถุดิบพืช

1. บทนำ

Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) is widely used around the world as a  dietary supplement. In general, melatonin is used as a sleep aid supplement, a mild tranquilizer, a generalist antioxidant, and an anticancer and anti-aging component, among others [1]. According to the American Psychiatric Association (APA), approximately one-third of adults suffer from insomnia during their lifetime [2]. It manifests itself in ongoing problems falling asleep and staying asleep. Therefore, it is very likely that the use of synthetic melatonin will spread. In 2019, the global production of synthetic melatonin,  which was around 4000 tons, accounted for around 1.3 billion USD. This vast market is fully assisted by the chemical melatonin, whose synthesis process is very cheap, effective, and,  therefore, lucrative. The melatonin market is expected to grow at a CAGR (compound annual growth rate) of >ร้อยละ 10 ในอีก 5 ปีข้างหน้า ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ปัญหาการนอนไม่หลับที่เกิดจากการแพร่ระบาดของโควิด-19 จึงมีความเกี่ยวข้องอย่างมาก [3] อเมริกาเหนือมีการบริโภคสูงสุด รองลงมาคือยุโรป ตลาดเมลาโทนินทั่วโลกส่วนใหญ่ถูกควบคุมโดยบริษัทยักษ์ใหญ่ไม่กี่แห่ง เช่น BASF, Aspen Pharmacare Australia, Nature's Bounty, Pfizer Inc., Natrol LLC, Aurobindo Pharma และ Biotics Research Co โปรดทราบว่าการบริโภคเมลาโทนินเพื่อวัตถุประสงค์ทางการแพทย์เกี่ยวข้องกับ 50 เปอร์เซ็นต์ของการผลิตเมลาโทนินสังเคราะห์ ส่วนที่เหลือเป็นการใช้งานด้านเคมีและอุตสาหกรรม [2,4]

ในทางชีววิทยา เมลาโทนินเป็นโมเลกุลที่กระจายอยู่ทั่วไปในทุกอาณาจักรของสิ่งมีชีวิต [5] ค้นพบในปี พ.ศ. 2501 ในต่อมไพเนียลของวัว [6] และต่อมาในมนุษย์ [7] ชีวโมเลกุลนี้เป็นหนึ่งในสารชีวโมเลกุลที่มีการศึกษามากที่สุด และหน้าที่หลายอย่างเป็นที่รู้จัก ส่วนใหญ่พบในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม [8,9] แต่ยังพบในปลาด้วย [10–12] สัตว์ปีก [13,14] และสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง [15] ในเซลล์ของสัตว์และมนุษย์ เมลาโทนินทำหน้าที่เป็นสารต้านอนุมูลอิสระ ซึ่งเป็นบทบาทที่เกี่ยวข้องในปี 1993 [16–18] เมลาโทนินทำหน้าที่เป็นตัวป้องกันเซลล์ที่น่าสนใจในสถานการณ์ที่ตึงเครียด ในด้านสรีรวิทยาต่างๆ ในมนุษย์ และจากการศึกษาหลายชิ้นพบว่ามีประโยชน์ในการปรับปรุงโรคและความผิดปกติต่างๆ รูปที่ 1 แสดงการป้องกันและควบคุมการทำงานของเมลาโทนินในมนุษย์ และนำเสนอเมลาโทนินเป็นโมเลกุล pleiotropic ที่น่าสนใจ ซึ่งโดดเด่นเนื่องจากความเกี่ยวข้อง บทบาทของเมลาโทนินในการควบคุมเมแทบอลิซึมของไขมันและกลูโคส กระตุ้นให้เกิดภาวะดื้อต่ออินซูลินในเวลากลางคืนและอินซูลินในแต่ละวัน ความไว ผลกระทบนี้ดูเหมือนจะเกี่ยวข้องกับการอดอาหารตอนกลางคืนและการให้อาหารทุกวัน ป้องกันไม่ให้น้ำหนักเพิ่มขึ้นมากเกินไป [19] นอกจากนี้ เรายังเน้นบทบาทของมันในฐานะสารต้านมะเร็ง ยับยั้งการเจริญเติบโต การแพร่กระจาย และการแพร่กระจายของเนื้องอกหลายชนิด การรักษาเนื้องอกด้วยเมลาโทนินทำให้ความไวของคีโมและรังสีรักษาดีขึ้น โดยทำหน้าที่เป็นโมเลกุลเสริมฤทธิ์กันในการควบคุมเซลล์มะเร็ง นอกจากนี้ เมลาโทนินยังช่วยลดความเสียหายเฉียบพลันต่อเซลล์ปกติ ปกป้องเซลล์จากพิษของยา โดยอาจเพิ่มการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน [20–22] ในบรรดาความผิดปกติและโรคที่มีการศึกษาผลประโยชน์ของเมลาโทนิน ได้แก่ โรคทางระบบประสาท เช่น อัลไซเมอร์ พาร์กินสัน ไฟโบรไมอัลเจีย โรคซึมเศร้า โรคสมาธิสั้น ออทิสติก และไมเกรน ปัญหาสุขภาพหัวใจและหลอดเลือด ได้แก่ ไขมันในเลือดสูง ความดันโลหิตสูง กลุ่มอาการเมตาบอลิซึม และความไม่สมดุลของระดับน้ำตาลในเลือด ปัญหาสุขภาพระบบทางเดินอาหาร เช่น กรดไหลย้อน แผลในกระเพาะอาหาร และโรคลำไส้แปรปรวน ปัญหาสุขภาพทางภูมิคุ้มกัน เช่น โรคปลอกประสาทเสื่อมแข็ง การตอบสนองของภูมิคุ้มกันทำลายตนเอง (ความเครียดจากการเล่นกีฬา ความเครียดจากสารพิษ โรคสะเก็ดเงิน ฯลฯ) ภาวะติดเชื้อในกระแสเลือด โควิด-19 ฯลฯ [3,23–26]; และโรคกระดูกพรุน [27] ภาวะมวลกล้ามเนื้อน้อย [28] ภาวะครรภ์เป็นพิษ ภาวะเจริญพันธุ์ กลุ่มอาการถุงน้ำรังไข่หลายใบ และวัยหมดประจำเดือน เป็นต้น [29–32] อย่างไรก็ตาม แม้ว่าเมลาโทนินจะเป็นโมเลกุลที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางตั้งแต่ช่วงปี 1950 แต่การศึกษาที่ดำเนินการนั้นต้องการการทดลองทางคลินิกแบบปกปิดสองทางที่กว้างขวางมากขึ้น เพื่อชี้แจงการกระทำที่ทำให้เกิดความสับสนในบางครั้งของ pleiotropic [33,34]

อย่างไรก็ตาม เมลาโทนินเป็นที่รู้จักกันดีว่าเป็นฮอร์โมนที่ควบคุมการนอนหลับ ระดับการแกว่งของมันในการไหลเวียนของเลือดตามช่วงเวลาของแสงสว่างและความมืด (จังหวะรอบวัน) เนื่องจากการปลดปล่อยเมลาโทนินจากต่อมไพเนียลเป็นหนึ่งในแง่มุมที่มีการศึกษาและเป็นที่รู้จักมากที่สุดของโมเลกุลนี้ การเพิ่มขึ้นของระดับเมลาโทนินในเลือดในช่วงแรกของการนอนหลับเป็นประมาณ 150–220 โพล/มล. ทำหน้าที่ในการเริ่มต้นการนอนหลับ ลดความหน่วงของการนอนหลับและการกระจายตัวของการนอนหลับ และเพิ่มระยะเวลาและคุณภาพการนอนหลับ [1,35,36] เมลาโทนินทำหน้าที่เป็นตัวประสานภายในของวงจรการหลับ-ตื่นและจังหวะตามฤดูกาล ในแง่นี้ ความผิดปกติของการนอนหลับจำนวนมากได้รับการรักษาด้วยเมลาโทนิน รวมถึงกลุ่มอาการระยะการนอนหลับล่าช้า ความผิดปกติของการนอนหลับจากการทำงานกะกลางคืน ความผิดปกติทางอารมณ์ตามฤดูกาล ความผิดปกติของการนอนหลับในคนตาบอดและผู้สูงอายุ และความผิดปกติทางพยาธิสรีรวิทยาในเด็ก โดยคุณภาพการนอนหลับดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด [ 37–41]. ความผิดปกติที่แพร่หลายที่สุดที่รักษาด้วยเมลาโทนินคืออาการเจ็ตแล็ก (Jet Lag) ซึ่งเป็นการลดลงของจังหวะการหลับ-ตื่นหลังจากเที่ยวบินข้ามมหาสมุทร [42–45] อาจเป็นไปได้ว่าการเน้นย้ำในการศึกษาเกี่ยวกับบทบาทของมันในฐานะตัวควบคุมการนอนหลับทำให้ขาดการศึกษาเกี่ยวกับบทบาทที่เป็นไปได้ในด้านสรีรวิทยาและทางคลินิกอื่น ๆ

เมลาโทนินในพืชที่เรียกว่าไฟโตเมลาโทนินถูกค้นพบพร้อมกันโดยกลุ่มวิจัยสามกลุ่มในวัสดุจากพืชหลายชนิดในปี 1995 [46–48] คำว่า ไฟโตเมลาโทนิน ซึ่งหมายถึงเมลาโทนินจากพืชผัก (พืชและสาหร่าย) ใช้เพื่อแยกความแตกต่างจากเมลาโทนินจากสัตว์และ/หรือสังเคราะห์ คำนี้แพร่หลายมากและถูกใช้อย่างต่อเนื่องในการศึกษาพฤกษเคมี สรีรวิทยาของพืช พฤกษศาสตร์ เคมีอาหาร ฯลฯ เกี่ยวกับเมลาโทนินจากพืช ในพืช ไฟโตเมลาโทนินยังเป็นโมเลกุล pleiotropic ซึ่งมีบทบาทหลายอย่างในการตอบสนองทางสรีรวิทยาที่หลากหลาย (รูปที่ 1) การควบคุมโดยเมลาโทนินในด้านต่างๆ เช่น การสังเคราะห์ด้วยแสง รวมถึงการดูดซึม CO2 ในปากและการประหยัดน้ำ การเผาผลาญคาร์โบไฮเดรต ลิพิด ไนโตรเจน และกำมะถัน และเมแทบอลิซึมของฟีนอล ฟลาโวนอยด์ และเทอร์พีนอยด์อย่างง่าย ได้แสดงให้เห็นถึงความสนใจที่สำคัญในกระบวนการพื้นฐานและทางเทคนิคของพืช (การงอก การเจริญเติบโตของพืช การแตกราก การแตกกิ่ง ฯลฯ) และพัฒนาการสืบพันธุ์ รวมทั้งการเจริญพันธุ์ การเจริญพันธุ์ การพัฒนาของเมล็ดและผล การสุก การชราภาพ และการอนุรักษ์ผลไม้และไม้ตัดดอก [49–53] โดยทั่วไป เมลาโทนินควบคุมกระบวนการเหล่านี้ผ่านการทำงานของเครือข่ายฮอร์โมนพืช เพิ่ม/ลดการควบคุมการสังเคราะห์ทางชีวภาพ แคตาบอลิก และปัจจัยการถอดรหัสที่เกี่ยวข้องกับฮอร์โมนพืช [54–56] ด้านหนึ่งของความสนใจด้านพืชไร่นาและเทคโนโลยีชีวภาพมากที่สุดคือบทบาทของไฟโตเมลาโทนินในฐานะผู้สนับสนุนความทนทานต่อความเครียดจากสิ่งมีชีวิตและสิ่งมีชีวิต [57–68] (รูปที่ 1) ปัจจุบันไฟโตเมลาโทนินถูกนำเสนอเป็นเครื่องมือที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่น่าสนใจในการควบคุมโรคทางชีวภาพและเพื่ออำนวยความสะดวกในการต้านทาน/ปรับตัวของพืชเพื่อต่อต้านการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

2. การสังเคราะห์ทางชีวภาพของเมลาโทนิน

เมลาโทนินเป็นสารประกอบอะซิติเลตที่ได้จากเซโรโทนิน เอมีนอินโดลิกทั้งสองถูกสังเคราะห์จากกรดอะมิโนทริปโตเฟนในเส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวภาพที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางทั้งในสัตว์และพืช [69,70] ในพืช ทริปโตเฟนจะถูกเปลี่ยนเป็นทริปทามีนโดยเอนไซม์ทริปโตแฟนดีคาร์บอกซิเลส (TDC) (รูปที่ 2) จากนั้นทริปทามีนจะถูกเปลี่ยนเป็น 5-ไฮดรอกซีทริปทามีน (เซโรโทนิน) โดยทริปทามีน 5-ไฮดรอกซีเลส (T5H)) ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในข้าว และสามารถออกฤทธิ์กับสารตั้งต้นหลายชนิด แม้ว่าจะยังไม่มีการศึกษาเรื่องนี้ ในเชิงลึก Serotonin เป็น N-acetylated โดย serotonin N-acetyltransferase (SNAT) จากนั้น N-อะเซทิลเซโรโทนินจะถูกเมทิลเลตโดยอะเซทิลเซโรโทนิน เมทิลทรานสเฟอเรส (ASMT) ซึ่งเป็นไฮดรอกซีอินโดล-O-เมทิลทรานสเฟอเรส ซึ่งสร้างเมลาโทนิน ในพืช กระบวนการ methylation ของ N-acetylserotonin สามารถทำได้โดยกรดคาเฟอิก O-methyltransferase (COMT) ซึ่งเป็นเอนไซม์ประเภทหนึ่งที่สามารถออกฤทธิ์กับสารตั้งต้นหลายชนิด รวมทั้งกรดคาเฟอิกและเควอซิทิน [71] นอกจากนี้ Serotonin ยังอาจเปลี่ยนเป็น 5-methoxy tryptamine โดย ASMT/COMT เพื่อสร้างเมลาโทนินหลังจากการทำงานของ SNAT เส้นทางนี้จะเกิดขึ้นในสถานการณ์ชราภาพและ/หรือความเครียด [70,72] นอกจากนี้ เมลาโทนินยังสามารถสร้างได้ผ่านการสร้าง N-acetyl tryptamine โดย SNAT ซึ่งจะถูกแปลงเป็น N-acetylserotonin โดย T5H [73] แม้ว่าจะยังไม่มีการสาธิตเส้นทางนี้ อาจเป็นเพราะ T5H เป็นเอนไซม์ที่มีการศึกษาน้อยที่สุดของทางเดิน (รูปที่ 2). ที่น่าสนใจคือ มีการระบุยีนที่เข้ารหัสฮิสโตนดีอะซีติเลส (DAC) ได้ถึงสี่ยีนในต้นข้าวที่สามารถย้อนขั้นตอนจากเซโรโทนินไปเป็น N-acetylserotonin และจาก 5-เมทอกซีทริปทามีนไปเป็นเมลาโทนิน DAC ที่แสดงออกในคลอโรพลาสต์แสดงกิจกรรมของเอนไซม์ต่อ N-acetylserotonin, N-acetyl tryptamine และเมลาโทนิน โดยกิจกรรมของเอนไซม์ deacetylase สูงสุดสำหรับ N-acetyl tyramine [74]

ในเซลล์สัตว์ เซโรโทนินถูกสร้างจาก 5-ไฮดรอกซีทริปโตเฟน หลังจากการออกฤทธิ์ตามลำดับของทริปโตเฟนไฮดรอกซีเลส (TPH) และ TDC แม้ว่า TPH จะตรวจไม่พบในพืช แต่การมีอยู่ของ 5-hydroxytryptophan บ่งชี้ว่ากิจกรรมของเอนไซม์บางอย่าง เช่น กิจกรรมของ TPH นั้นทำหน้าที่ในระดับที่น้อยกว่าในเซลล์พืช นอกจากนี้ เมลาโทนินยังสามารถสร้างได้ผ่านการสร้าง 5-เมทอกซีทริปทามีน ซึ่งส่วนใหญ่อยู่ภายใต้สภาวะความเครียดตามที่เสนอโดยผู้เขียนหลายคน ซึ่งบ่งชี้ว่าเส้นทางการสังเคราะห์เมลาโทนินอาจเป็นไปตามเส้นทางทางเลือกต่างๆ เมื่อเทียบกับเซลล์สัตว์ โดยมีความสามารถในการปรับตัวได้ดีกว่า ต่อการเปลี่ยนแปลงเมแทบอลิซึมในพืช [72,75] เอนไซม์ที่มีชื่อทั้งหมดได้รับการตรวจพบและแสดงคุณลักษณะในข้าวและอะราบิดอพซิส ยกเว้น TPH ซึ่งเป็นที่รู้จักในสัตว์แต่ไม่พบในพืช อย่างไรก็ตาม ผู้เขียนบางคนเสนอว่า T5H สามารถทำหน้าที่เป็นไฮดรอกซีเลสที่มีความจำเพาะของซับสเตรตต่ำ และสามารถทำหน้าที่ในขั้นตอนการไฮดรอกซิเลชันทั้งหมดที่อธิบายไว้ [70,76–79] ความจำเพาะของซับสเตรตแบบกว้างเดียวกันนี้ยังสามารถนำมาประกอบกับเอนไซม์ SNAT, ASMT และ COMT ตัวกลางเมลาโทนินถูกผลิตขึ้นในเซลล์ย่อยต่างๆ เช่น ไซโตพลาสซึม เอนโดพลาสมิกเรติคูลัม ไมโทคอนเดรีย และคลอโรพลาสต์ ซึ่งเป็นตัวกำหนดขั้นตอนของเอนไซม์ที่ตามมา [80,81]

ในจุลินทรีย์ มีการศึกษาเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับเส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวภาพของเมลาโทนิน [82] Saccharomyces และแบคทีเรีย (Geobacillus, Bacillus และ Pseudomonas) ผลิตทั้งเซโรโทนินและเมลาโทนินที่ความเข้มข้นต่างกัน [83–89] ยิ่งไปกว่านั้น การผลิตเมลาโทนินยังปรากฏหลักฐานโดยนักเขียนคนอื่นๆ ในวัฒนธรรมของยีสต์ Pichia kluyveri, Saccharomyces cerevisiae และ S. uvarum และแบคทีเรีย (Agrobacterium, Pseudomonas, Variovorax, Bacillus และ Oenococcus) [85,90,91] และก่อนหน้านี้ ในแบคทีเรียสังเคราะห์แสง Rhodospirillum rubrum [92] และ Erythrobacter longus [93] และ Escherichia coli [94]

ในยีสต์ Saccharomyces cerevisiae ซึ่งแตกต่างจากในพืชและสัตว์ ดูเหมือนว่าการสังเคราะห์ทางชีวภาพของ 5-hydroxytryptophan จาก tryptophan จะไม่เกิดขึ้น ที่น่าสนใจคือ ระยะต่างๆ ที่อธิบายไว้สามารถย้อนกลับได้ใน S. cerevisiae เช่น ระหว่าง 5-hydroxytryptophan และ serotonin, N-acetylserotonin และ melatonin และ 5-methoxy tryptamine และ melatonin [90,95], ตามรายละเอียดในรูปที่ 2 ใน Bacillus amyloliquefaciens SB-9 และ Pseudomonas fluorescens RG11, 5- hydroxytryptophan, serotonin และ N-acetylserotonin แต่ตรวจไม่พบทริปทามีน [85,86] ดังนั้น ยีนหลายตัวที่มาจากแบคทีเรียจึงถูกนำมาใช้เพื่อสร้างสายพันธุ์ Escherichia coli ที่ผลิตเมลาโทนิน ตัวอย่างเช่น ยีน DDC ซึ่งเข้ารหัสแอล-อะมิโนแอซิดดีคาร์บอกซิเลสที่อะโรมาติกจาก Candidatus Koribacterเอนกประสงค์ Ellin 345 และ Draconibacterium oriental และยีน AANAT ซึ่งเข้ารหัสอัลคิลเอมีน N-อะซีติลทรานสเฟอเรสจาก Streptomyces griseofuscus ถูกวิเคราะห์ [96,97] ไม่ต้องสงสัยเลยว่า จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเพื่ออธิบายเส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวภาพที่สมบูรณ์ของเมลาโทนินในจุลินทรีย์โพรคาริโอตและยูคาริโอตที่แตกต่างกัน [82]

3. เมลาโทนินทางชีวภาพกับเมลาโทนินสังเคราะห์

ในขั้นต้น เมลาโทนินได้รับจากการทดลองและการศึกษาทางคลินิกจากสัตว์ (ส่วนใหญ่มาจากต่อมไพเนียลและปัสสาวะ) โดยมีความเสี่ยงที่ตามมาของการแพร่กระจายของไวรัส [98,99] เทคนิคเหล่านี้ถูกถอนออกไปเมื่อสามารถรับเมลาโทนินได้จากการสังเคราะห์ทางเคมี [100] ปัจจุบัน เมลาโทนินทั้งหมดที่ใช้ในอุตสาหกรรมและการแพทย์ได้มาจากวิธีการสังเคราะห์ทางเคมี วิธีการเหล่านี้ซึ่งนำเสนอปัญหาร้ายแรงในทศวรรษที่ 1980 รวมถึงการเสียชีวิตเนื่องจากผลพลอยได้จากการสังเคราะห์จากโพรไบโอ [101] มีความปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากขึ้นในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม การเตรียมเมลาโทนินได้อธิบายการมีอยู่ของผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์ทั้งชุดเนื่องจากธรรมชาติที่เป็นพิษของพวกมัน รูปที่ 3 แสดงสามเส้นทางการสังเคราะห์ทางเคมีที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับเมลาโทนินและผลพลอยได้ที่เกิดจากการสังเคราะห์ [102] การสังเคราะห์เมลาโทนินจากอนุพันธ์ของทริปโตเฟน (รูปที่ 3 แบบแผน A) สร้างผลพลอยได้ที่เป็นพิษซึ่งบางครั้งทำให้เกิดโรคที่สำคัญ เช่น กลุ่มอาการ eosinophilia-myalgia [101,103,104] ในขณะที่วิธีการปัจจุบันที่สุด (รูปที่ 3 แบบแผน B) สำหรับ การสังเคราะห์เมลาโทนินจากพทาลิไมด์ [105] ทำให้เกิดข้อสงสัยที่สำคัญเกี่ยวกับความเป็นพิษของผลพลอยได้หลายอย่างที่สร้างขึ้น [106] นอกจากนี้ ปฏิกิริยาฟิสเชอร์อินโดลจากอัลลิลามีน (รูปที่ 3 แบบแผน C) นำเสนอสารตั้งต้นที่อันตรายและเป็นพิษ [107]

ในทางกลับกัน การได้รับเมลาโทนินจากแหล่งชีวภาพที่ไม่ใช่สัตว์ถือเป็นข้อผูกมัดที่แข็งแกร่งในอนาคต ไม่ใช่เพื่อแทนที่เมลาโทนินสังเคราะห์ แต่เป็นแหล่งเสริมที่เป็นธรรมชาติมากกว่า และเป็นแหล่งทางเลือก [108]

4. กลยุทธ์เพื่อให้ได้เมลาโทนินทางชีวภาพ

เมลาโทนินมีอยู่ในทุกสายพันธุ์ทางชีววิทยาที่รู้จัก ตั้งแต่โปรคารีโอตไปจนถึงยูคาริโอต รวมถึงยีสต์ สาหร่าย เห็ดรา และพืช ตลอดจนสัตว์ [80,109–111] ด้านล่างนี้เป็นการนำเสนอวิธีการที่พัฒนาขึ้นในจุลินทรีย์และพืชซึ่งเป็นแหล่งที่เป็นไปได้ของเมลาโทนินตามธรรมชาติ

4.1. เมลาโทนินจากจุลินทรีย์

ก. แซคคาโรไมซิส

วิธีการแรกในการผลิตเมลาโทนินทางชีวภาพเพิ่งเกิดขึ้นโดยกลุ่มบริษัทยาของเดนมาร์กชื่อ Novo Nordisk โดยใช้ Saccharomyces cerevisiae ที่ดัดแปลงพันธุกรรม (ตารางที่ 1 ผลิตภัณฑ์ #1) ชาวเยอรมันและเพื่อนร่วมงานได้สร้างเส้นทาง recombinant เมลาโทนินในสายพันธุ์ของยีสต์ที่มียีนต่างชนิดกันซึ่งเข้ารหัสเอนไซม์การสังเคราะห์เมลาโทนินหลายตัวและเส้นทางที่สนับสนุนปัจจัยร่วม [112] ยีสต์ดัดแปรพันธุกรรมประมวลยีนที่แตกต่างจาก Rattus norvegicus, Lactobacillus ruminis, Pseudomonas aeruginosa, Homo sapiens, Schistosoma mansoni, Bos Taurus และ Salmonella enterica ยีสต์ให้อาหารเฉพาะกลูโคสและ acetyl Co-A การผลิตเมลาโทนินถึง 14.5 mg·L −1 ที่ 76 ชั่วโมง อย่างไรก็ตาม ตามที่ผู้เขียนคนอื่น ๆ ปัญหาบางอย่าง เช่น การสะสม N-acetylserotonin สูงในเซลล์ยีสต์ การแสดงออกของยีนที่ไม่สมดุล และการระบุตัวกลางที่เป็นพิษบางชนิด จำเป็นต้องได้รับการแก้ไข [113]

ข. เอสเคอริเชีย โคไล

ในแนวทางที่สอง ครั้งนี้ใช้การเพาะเลี้ยง Escherichia coli ดัดแปลงพันธุกรรม (ตารางที่ 1 ผลิตภัณฑ์ #2) Novo Nordisk รายงานการผลิตเมลาโทนินทางชีวภาพจากสายพันธุ์ต่างสายพันธุ์ที่สร้างจาก E. coli ชนิดรีคอมบิแนนท์ รวมถึงยีนหลายตัว เช่น ยีน TDC จาก Candidatus Koribacter อเนกประสงค์ ยีน SNAT จาก Streptomyces griseofuscus และยีน ASMT ของมนุษย์ นอกจากนี้ ยีนที่เกี่ยวข้องกับทริปโตเฟนบางตัวยังถูกบล็อกหรือลบออกเพื่อป้องกันการกดทับ การย่อยสลาย และการส่งออกที่ไม่พึงประสงค์ [96,97] หลังจากปรับปรุงสายพันธุ์หลายครั้งและให้อาหารด้วยเกลือแร่ วิตามิน และยาปฏิชีวนะ เซลล์ที่เพาะเลี้ยงจะสร้างเมลาโทนินที่ ~1 g·L −1 โดยใช้กลูโคสเป็นแหล่งคาร์บอนเพียงอย่างเดียว และมากถึง 2 g·L −1 ในเซลล์ที่เลี้ยงด้วยทริปโตเฟน ด้วยผลพลอยได้ในระดับเล็กน้อย ดังนั้น ตามที่ผู้เขียนกล่าวว่าสายพันธุ์ GMO E. coli เหล่านี้อาจเป็นพื้นฐานสำหรับการผลิตเมลาโทนินเชิงพาณิชย์ทางชีวภาพในอนาคตโดยใช้โรงงานผลิตเซลล์จุลินทรีย์ อย่างไรก็ตาม การใช้สิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อผลิตสารสำหรับการบริโภคของมนุษย์อาจเป็นปัญหาได้ เมื่อเป้าหมายคือการนำผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติมาสู่ผู้บริโภคที่ไวต่อความรู้สึกหรือผู้บริโภคที่ต่อต้านจีเอ็มโอ

ค. แบคทีเรียกรดแลคติก

เมลาโทนินยังถูกผลิตในเชิงอุตสาหกรรมโดยการหมักของจุลินทรีย์ ดังที่รายงานใน [114] การสังเคราะห์เมลาโทนินถูกควบคุมโดยแบคทีเรียกรดแลกติกหลายสายพันธุ์ เช่น Lactobacillus sp. (L. brevis, acidophilus, bulgaricus, casei subspecies. สาเก, fermentum, helveticus subspec. jogorti, plantarum); บิฟิโดแบคทีเรียม เอสพี (B. breve spp. breve, longum spp. infantis); เอนเทอโรคอคคัส sp. (อี. faecalis TH10); และสเตรปโตค็อกคัส เทอร์โมฟิลัส ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตภายใต้เทคโนโลยีนี้ทำการตลาดโดย Quantum Nutrition Labs (เท็กซัส สหรัฐอเมริกา) ในชื่อ Melatonin Drops, Qultured™ ซึ่งมีเมลาโทนินจากยีสต์ 8 มก. (ตารางที่ 1 ผลิตภัณฑ์ #3)

ง. คลอเรลล่า

ผลิตภัณฑ์ที่ทำจากสาหร่ายคือ Herbatonin® (ตารางที่ 1 ผลิตภัณฑ์ #4) ซึ่งผลิตขึ้นในรูปแบบเม็ดที่มี 0.3 หรือ 3 มก. ของไฟโตเมลาโทนิน แม้ว่าในยุโรปจะวางตลาดในปริมาณ 0.3 และ 1.9 มก. ตามกฎหมายของสหภาพยุโรป สูตรนี้มีพืชหลายชนิด เช่น ข้าว (Oryza sativa L.) และหญ้าชนิตหนึ่ง (Medicago sativa L.) ร่วมกับสาหร่ายสีเขียว Chlorella pyrenoidosa และ C. vulgaris ข้อมูลของเราแสดงว่าสาหร่ายขนาดเล็กเหล่านี้มีปริมาณไม่เกิน 2–15 ng·g DW−1 [115] และพืชร่วมชนิดนี้มีไฟโตเมลาโทนินในระดับต่ำมาก คือ 1–5 ng·g−1 ในข้าว และ 16 ng·g −1 ในหญ้าชนิตหนึ่ง [116] การปรากฏตัวของคลอเรลล่าแสดงให้เห็นว่าไฟโตเมลาโทนินส่วนใหญ่ได้รับจากการเพาะเลี้ยงสาหร่ายสีเขียวในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ ซึ่งอาจเลี้ยงด้วยสารตั้งต้น เช่น ทริปโตเฟน ในลักษณะที่คล้ายคลึงกับใน Achillea millefolium [117] แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลที่เผยแพร่เกี่ยวกับวิธีการ การได้รับสารสกัดที่อุดมด้วยไฟโตเมลาโทนินเหล่านี้ มีเพียงลักษณะทางชีวเคมีเท่านั้น [118] นอกจากนี้ยังไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับการควบคุมการมีอยู่ของไซยาโนทอกซินในสารสกัดเหล่านี้ เนื่องจากการปนเปื้อนที่อาจเกิดขึ้นจากไซยาโนแบคทีเรีย (สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน) ไซยาทอกซินเหล่านี้มีผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์หลายประการที่เกี่ยวข้องกับการก่อมะเร็ง ความเป็นพิษต่อตับ ความเป็นพิษต่อระบบประสาท และอื่นๆ ดังนั้น การตรวจพบไซยาทอกซินในผลิตภัณฑ์เสริมอาหารจากสาหร่ายบางชนิดจึงยิ่งตอกย้ำความจำเป็นในการควบคุมคุณภาพที่ดีขึ้น [119,120]

【สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】