Estry woskowe stanowią istotny składnik wydzieliny gruczołów łojowych. Do ich głównych funkcji należy m.in. ochrona przed odwodnieniem i promieniowaniem UV. W kosmetykach są one stosowane jako emolienty, dodawane do maści i kremów.
Głównym źródłem estrów woskowych w przemyśle jest olejek jojoba, którego estry składają się w większości z alkoholi tłuszczowych C20:1 i C22:1 oraz kwasów tłuszczowych C20:1. Jednak jego szersze zastosowanie ograniczone jest wysokim kosztem pozyskania surowca.
Pomimo, że istnieją biotechnologiczne metody produkcji estrów woskowych, takie jak np. wykorzystanie immobilizowanej lipazy, wyjściowym substratem tych reakcji są syntetyzowane chemicznie alkohole tłuszczowe. Dlatego istnieje ciągłe zapotrzebowanie na metodę, która umożliwiłaby syntezę estrów woskowych z tanich i ogólnie dostępnych substratów, jakimi są np. kwasy tłuszczowe.
Jednym ze sposobów, uzyskania wysoko-wydajnej i taniej produkcji estrów woskowych jest tzw. inżynieria metaboliczna, która (w tym przypadku) polega na wprowadzeniu genów, kodujących enzymy niezbędne do syntezy estrów woskowych do łatwych w hodowli bakterii.
Szlak syntezy estrów woskowych został najdokładniej zbadany u szczepu bakterii Acinetobacter baylyi (szczep ADP1) , gdzie można podzielić go na 2 główne etapy (Ryc.1).
Ryc. 1 Szlak syntezy estrów woskowych u bakterii A. baylyi (pierwszy i drugi etap) i roślin jojoba (pierwszy etap). Na czerwono zaznaczono enzymy, których geny wykorzystano do uzyskania rekombinowanego szczepu E. coli, zdolnego do produkcji estrów woskowych na bazie kwasu oleinowego.
Pierwszy etap polega na redukcji kwasu tłuszczowego do alkoholu tłuszczowego. Punktem wyjścia jest długołańcuchowy acyl-CoA (aktywna forma kwasu tłuszczowego), który ulega dwustopniowej redukcji. Pierwsza reakcja polega na redukcji acyl-CoA do aldehydu, przez NADPH - zależny enzym – reduktazę acyl-CoA (Acr1). Następnie, powstały aldehyd redukowany jest przez NADPH - zależną reduktazę aldehydu tłuszczowego do alkoholu tłuszczowego. Niestety, nie udało się jak dotychczas zidentyfikować genu kodującego enzym odpowiedzialny za redukcję aldehydu do alkoholu tłuszczowego u bakterii.
W drugim etapie, alkohol powstały w wyniku redukcji, ulega reakcji estryfikacji z długołańcuchowym acyl-CoA. Reakcja ta jest katalizowana przez niespecyficzną syntazę estrów woskowych/acyl-CoA – diacylogliceorol acyl transferazę (WS/DGAT), a produktem są estry woskowe.
W przypadku roślin jojoba, pierwszy etap szlaku syntezy estrów woskowych (redukcja kwasu tłuszczowego do alkoholu) jest katalizowany przez jeden, dwufunkcyjny enzym – dwufunkcyjną reduktazę acyl-CoA. W przeciwieństwie do bakteryjnej reduktazy aldehydu tłuszczowego, sekwencja genu kodującego ten enzym jest znana.
W związku z tym, w celu uzyskania rekombinowanego szczepu E. coli, zdolnego do wydajnej syntezy estrów woskowych z kwasów tłuszczowych, naukowcy wykorzystali gen WS/DGAT z A. baylyi oraz gen dwufunkcyjnej reduktazy acyl-CoA z roślin jojoba.
Wprowadzenie powyższych genów do bakterii E. coli, pozwoliło uzyskać szczep, zdolny do produkcji estrów woskowych na bazie kwasu oleinowego. Powstałe estry woskowe, gromadzone są wewnątrz komórek, w postaci nierozpuszczalnych ciał inkluzyjnych i stanowią ok. 1% całkowitej suchej masy bakterii.
Dzięki wykorzystaniu kwasów tłuszczowych jako substratów, opracowana metoda może być punktem wyjścia do obniżenia kosztów produkcji, wykorzystywanych w kosmetyce, estrów woskowych.
Oprac.: Dariusz Ratman
Źródło: Rainer Kalscheuer, Tim Sto¨veken, Heinrich Luftmann, Ursula Malkus, Rudolf Reichelt, and Alexander Steinbu¨chel1. Neutral Lipid Biosynthesis in Engineered Escherichia coli: Jojoba Oil-Like Wax Esters and Fatty Acid Butyl Esters. APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, Feb. 2006, p. 1373–1379
Zobacz także:
AKTUALNOŚCI:
Nowa, tańsza metoda syntezy estrów woskowych na bazie oleju palmowego
