Bioconversione di 4

Mar 08, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1835 (2023) Citare questo articolo

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Le attività di allevamento del bestiame e i rifiuti farmaceutici portano a un notevole accumulo di ormoni steroidei ed estrogeni nelle acque reflue. Qui gli estrogeni agiscono come agenti pro-cancerogenici e interferenti endocrini che interferiscono con lo sviluppo sessuale degli animali acquatici e hanno effetti tossici sull'uomo. I batteri ambientali svolgono un ruolo vitale nella degradazione degli estrogeni. Il loro ampio serbatoio di enzimi, come le diossigenasi di scissione dell'anello (RCD), possono degradare il nucleo steroideo, catalizzando la meta-scissione degli anelli steroidei A, B o D. In questo lavoro, 4 diossigenasi di scissione dell'anello extra-diolo (ERCD), PP28735, PP26077, PP00124 e PP00193, sono state isolate dallo sfingomonade marino Novosphingobium sp. PP1Y e caratterizzato. I parametri cinetici degli enzimi sono stati determinati su diversi substrati catecolici sintetici. Quindi è stata valutata la bioconversione degli estrogeni catecoli. PP00124 si è dimostrato un catalizzatore efficiente per la degradazione del 4-idrossiestradiolo (4-OHE2), un derivato idrossilato cancerogeno di E2. La scissione completa di 4-OHE2 è stata ottenuta utilizzando PP00124 sia in forma solubile che in cellule intere di E. coli ricombinanti. Le analisi LC-MS/MS hanno confermato la generazione di un prodotto semialdeide, attraverso la metaclivaggio dell'anello A. Per quanto ne sappiamo, PP00124 è il primo enzima caratterizzato in grado di degradare direttamente 4-OHE2 tramite meta scissione. Inoltre, la biodegradazione completa del 4-OHE2 utilizzando cellule intere ricombinanti ha evidenziato vantaggi per scopi di biorisanamento.

Gli estrogeni sono i principali ormoni steroidei responsabili della regolazione del sistema riproduttivo femminile e dello sviluppo dei caratteri sessuali secondari1. In tutti i vertebrati, l'estrone (E1) e il 17β-estradiolo (E2) sono i principali ormoni regolatori (Fig. 1a). L'E2, che possiede un'importante attività estrogenica con concentrazioni plasmatiche nelle femmine dei mammiferi fino a 500 pg/mL, è tra i principali effettori dello sviluppo del sistema riproduttivo nell'uomo2. Gli estrogeni vengono escreti nelle urine dopo idrossilazione o solfonazione3; diversi studi hanno dimostrato che questi composti, e in particolare le loro forme idrossilate (4-idrossiestradiolo 4-OHE2 e 2-idrossiestradiolo 2-OHE2, Fig. 1a), possono agire come interferenti endocrini e cancerogeni4,5.

Principali composti estrogenici e vie di degradazione dell'E2. (a) Strutture e pesi molecolari (MW) dell'estrone (E1), 17 β-estradiolo (E2), estratetraenolo (E0), 4-idrossiestradiolo (4-OHE2) e 2-idrossiestradiolo (2-OHE2). Gli anelli di steroidi AD sono indicati in rosso. (b) Principali percorsi di degradazione E2. i) E2 A idrossilazione dell'anello19. ii) Idrossilazione dell'anello E2 B19. iii) Disidratazione dell'anello E2 D20. iv) deidrogenazione di E2 in E1 e successiva deidrogenazione e scissione dell'anello D21. iv.i) Deidrogenazione di E2 in E1 e successiva deidrogenazione e scissione dell'anello A18. NB La via iv.i) segue essenzialmente la stessa reazione di scissione dell'anello A della via i). Qui è separato poiché il substrato di scissione è 4-OHE1 nella via iv.i) e 4-OHE2 nella via i).

La presenza di questi composti nocivi nelle acque reflue e negli ecosistemi acquatici è dovuta principalmente alle escrezioni degli animali da allevamento nelle attività di allevamento del bestiame6 ed è recentemente diventata una delle principali preoccupazioni ambientali7,8,9; queste molecole sembrano infatti essere responsabili dello sviluppo, della fertilità e del deterioramento delle funzioni riproduttive nelle popolazioni di mammiferi, pesci e anfibi. In effetti, popolazioni di pesci intersessuali sono state osservate in tutto il mondo in ecosistemi contaminati da estrogeni[5,6,10,11,12 e riferimenti ivi contenuti].

La crescente preoccupazione ambientale ha recentemente stimolato l'interesse verso i processi biologici coinvolti nella degradazione degli estrogeni, in particolare dell'E2, e l'identificazione sia di nuovi potenziali degradatori che di attività enzimatiche degradanti13. La degradazione dei nuclei estrogenici, attraverso la distruzione della struttura dell'anello aromatico A, è la chiave per ostacolare l'interazione di questi composti con il DNA, neutralizzando così la loro attività e il conseguente effetto cancerogeno13,14. I processi di degradazione microbica svolgono un ruolo vitale nel determinare il destino e il trasporto degli estrogeni nell’ambiente. I batteri che possiedono il meccanismo catalitico specifico per la completa distruzione dei nuclei steroidei in modalità metabolica o co-metabolica svolgono un ruolo centrale per la conversione degli estrogeni in CO213,14,15.