MEDICUS 6-7/2014

Ektoina – aminokwas cenny jak złoto

Metodę pozyskiwania i produkcji cenniejszego od złota, bardzo rzadkiego aminokwasu – ektoiny, opracowali naukowcy z Katedry Biochemii i Chemii Środowiska KUL, którą kieruje prof. Zofia Stępniewska. Odkryta przez naukowców metoda – tania i prosta – to szansa na rewolucję w przemyśle medycznym i kosmetycznym. Ektoina znajduje zastosowanie w radio- i chemioterapii, zwiększa odporność na wirusa HIV, sprawdza się też w terapii choroby Alzheimera, marskości wątroby i różnych alergii. Jednak do tej pory jej produkcja była niezwykle skomplikowana i kosztowna. Naukowcy z KUL-u potrafią to zmienić. 19 maja br. na KUL-u podpisano list intencyjny w sprawie utworzenia konsorcjum, które ma doprowadzić do rozpoczęcia produkcji ektoiny.

Czym jest ektoina? To bezbarwna, krystaliczna, wykazująca właściwości lekko higroskopijne substancja o temperaturze topnienia 280oC. Charakteryzuje się wysoką rozpuszczalnością w rozpuszczalnikach polarnych jak woda czy metanol, stabilnością w szerokim zakresie pH 1-9, natomiast przy pH obojętnym występuje w postaci jonu obojnaczego. Ektoina wykazuje trwałość w wysokich temperaturach, np. w 190oC przez 6 godzin. Przechowywana w temperaturze pokojowej zachowuje trwałość przez okres ok. 4 lat.

Na sekret produkcji ektoiny lubelscy naukowcy trafili… przypadkowo. – Wszystko rozpoczęło się od poszukiwania odpowiedzi na pytanie: Dlaczego w kopalni „Bogdanka”, położonej na terenie Lubelskiego Zagłębia Węglowego, nie obserwuje się wysokich stężeń metanu i nie dochodzi do wybuchów, które zdarzają się na Śląsku i stanowią silne zagrożenie dla pracujących tam górników? – mówi prof. Zofia Stępniewska. W trakcie badań skał z otoczenia pokładów węgla okazało się, że występują tam bardzo aktywne bakterie metanotroficzne, których jedynym pożywieniem jest właśnie metan. To właśnie dzięki tej aktywności następuje jakby samoistne oczyszczanie powietrza z niebezpiecznego gazu.

Podczas dalszych badań pojawiło się następne pytanie: W jaki sposób, rozpoznane dzięki technikom mikroskopowym mikroorganizmy, radzą sobie w drastycznych warunkach małej wilgotności i stosunkowo dużego zasolenia, jakie występuje na głębokości do 1000 m? – Odpowiedzi szukaliśmy w dostępnej literaturze, natrafiając na wzmiankę o osmoprotektantach, produkowanych przez mikroorganizmy w celu ochrony komórki i jej organelli przed niekorzystnym wpływem środowiska. Badania wykazały, że osmoprotektanty wytwarzane są, gdy ciśnienie osmotyczne wewnątrz komórki jest zbyt duże, zapobiegając utracie wody z komórki, a jednocześnie nie wpływając na metabolizm mikroorganizmów nawet przy wysokiej koncentracji osmolitów w cytoplazmie. Kierując się tą wskazówką, określiliśmy rodzaj i poziom gromadzonych substancji w badanych przez nas kulturach metanotroficznych. Okazało się, że rozpoznane przez nas konsorcja należą do bakterii metanotroficznych, a wytwarzana przez nie substancja jest właśnie ektoiną – mówi prof. Stępniewska.

Za opracowanie metody produkcji ektoiny KUL otrzymał pierwszy w swej historii patent. Uzyskane wyniki badań nad sposobem otrzymywania ektoiny wewnątrz komórek metanotrofów, występujących w naturalnym środowisku kopalni węgla kamiennego stanowiły podstawę do złożenia w roku 2011 patentu, przyznanego uczelni przez Polski Urząd Patentowy w listopadzie 2013. – Oznacza to nowy etap w życiu Uniwersytetu, możliwość wdrażania opracowanych technologii, by uzyskane wyniki z obszaru nauk przyrodniczych przeszły w fazę wdrożenia i następnie produkcji. Etapy tych działań wymagają jednakże znacznego wsparcia finansowego, zobaczymy, czy uda się je pozyskać – tłumaczą w Katedrze Biochemii i Chemii Środowiska KUL.

Produkcja ektoiny na drodze chemicznej jest bardzo skomplikowana. Wymaga 22 etapów syntezy organicznej. Kilogram tak otrzymanej ektoiny kosztuje ok. 190 tys. zł. Natomiast biotechnologiczna metoda opracowana na KUL-u, przy udziale mikroorganizmów jest praktycznie dwuetapowa i zdecydowanie prostsza. I dużo, dużo tańsza – koszt kilograma ektoiny spada dzięki niej do 2,5 tys. zł. – Jedną
z ogromnych zalet metody otrzymywania ektoiny według naszej technologii jest zdolność do uwalniania utworzonego osmolitu na drodze procesu „downshock”, w którym można pozyskać substancje utworzone w komórkach w okresie trwania stresu, np. zasolenia, bez konieczności przeprowadzenia lizy komórek, aby wyekstrahować ektoinę – wyjaśnia prof. Stępniewska.

Właściwości ektoiny budzą ogromne zainteresowanie przemysłu medycznego i kosmetycznego. Trudno się dziwić, aminokwas ma wiele zalet. W biotechnologii ektoina oraz jej pochodna hydroksyektoina są wykorzystywane m.in. do stabilizacji enzymów, ochrony struktury DNA i struktury białek. Stabilizujące właściwości ektoiny były testowane w różnych procesach enzymatycznych. Te właściwości ochronne ektoiny zostały wykorzystane w produkcji kremów z filtrem chroniących przed nadmiernym promieniowaniem UV czy też całej gamy farmaceutyków szczególnie cennych przy leczeniu nowotworów, Alzheimera czy nawet HIV.

Powołanie konsorcjum: KUL, Województwo Lubelskie, spółka KUL Creative, Fundacja Rozwoju KUL, spółka Elementa Critica, Lubelski Węgiel „Bogdanka” i Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla z Zabrza stwarza szansę na sfinansowanie tego projektu.

Anna Augustowska