As triptaminas naturais, como a psilocibina e a N,N -dimetiltriptamina (DMT), têm semelhanças estruturais com o neurotransmissor serotonina. O sucesso contínuo dos ensaios clínicos da psilocibina, os derivados não naturais da psilocibina também são de interesse como potenciais novos medicamentos.
Esse sistema requer a síntese e o estudo de derivados de psilocibina, com substituições em vários locais da estrutura química, para criar um conjunto maior de candidatos a medicamentos.
A maioria desses derivados foi produzida por meio de métodos tradicionais de síntese orgânica sintética. Mais recentemente, também estão sendo ativamente exploradas rotas de síntese catalisadas por enzimas, tanto in vitro como in vivo, para a produção de psilocibina e seus derivados.
Essas rotas biossintéticas variam ligeiramente, com esforços em hospedeiros eucarióticos empregando a mono-oxigenase do citocromo P450 de psilocybe sp, PsiH, para catalisar a hidroxilação da triptamina em 4-hidroxitriptamina, enquanto os esforços em hospedeiros procarióticos, geralmente, aproveitam a promiscuidade da triptofano sintase (TrpS) e enzimas triptofano descarboxilase (PsiD), alimentando um substrato de 4-hidroxiindol para resultar em 4-hidroxitriptamina.
Ambas as abordagens prosseguem com uma fosforilação, catalisada por PsiK, seguida por duas N- metilações sequenciais, catalisadas por PsiM, para resultar em psilocibina.
É importante aproveitar métodos bioenzimáticos novos e existentes de produção de triptofano e derivados de triptamina, para construir rotas mais eficientes e robustas para a produção de derivados de psilocibina.
Esforços recentes para caracterizar a atividade da triptofano descarboxilase (TDC) concentraram-se, principalmente, no uso de TDCs de Catharanthus roseus e do TDC altamente ativo de Ruminococcus gnavus C. roseus, usado para produzir triptaminas halogenadas em plantas.
Através da incorporação da expressão de psiH na plataforma biossintética da psilocibina bacteriana, pode-se eliminar a necessidade de suplementação externa de compostos precursores, permitindo a biossíntese de novo da psilocibina (a partir do triptofano endógeno), ou fornecer vários indóis substituídos, para permitir a bioprodução de compostos derivados da psilocibina.
A biossíntese de psilocibina e derivados foi demonstrada através da utilização de um sistema de co-cultura de E. coli de duas cepas. As configurações variadas do módulo de hidroxilase (psiH + CPR), foi otimizada em um contexto de co-cultura, juntamente, com a cepa de produção de psilocibina pSilo16.
A co-cultura foi capaz de produzir 28,5 ± 0,3 mg/L de psilocibina sem suplementação de 4-hidroxiindol, serina ou metionina. Isto representa o título de produção de novo de psilocibina mais alto relatado até o momento em um hospedeiro bacteriano. A estratégia de co-cultura da cepa de produção de psilocibina pSilo16 otimizada é capaz de produzir mais de 1 g/L de psilocibina, usando suplementação de 4-hidroxiindol.
A co-cultura JF06-pSilo16, cultivada sem indol, triptofano ou outros suplementos de aminoácidos, intensificou todo o carbono no produto de psilocibina, derivado diretamente da fonte de carbono de glicose.
Na triagem adicional para avaliar a produção de psilocibina, sob diversas condições de processo e suplemento, foram verificadas modificações na concentração do indutor (IPTG), que é um parâmetro importante para o desempenho da via também é o suplemento de mídia mais caro.
A biossíntese completa de derivados não naturais da psilocibina, pela mesma abordagem de co-cultura microbiana, foi usada em um estudo de prova de princípio, combinando a cepa de produção de psilocibina previamente otimizada (pSilo16), expressando PsiD, PsiK e PsiM com a cepa recentemente desenvolvida, JF06.
Nesse processo foi alcançada a biossíntese de 13 derivados não naturais de psilocibina, incluindo; 6-bromopsilocibina, 7-bromopsilocibina, 6-cloropsilocibina, 7-cloropsilocibina, 5-fluoropsilocibina, 6-fluoropsilocibina, 7-fluoropsilocibina, 6-iodopsilocibina, 7-iodopsilocibina, 6-metoxipsilocibina, 7-metoxipsilocibina, 6-metilpsilocibina e 7- metilpsilocibina.
O indol substituído e convertido numa triptamina substituída foi usado como substrato para PsiH, resultando em hidroxilação, antes de conversão adicional por PsiK e PsiM, na cepa original de produção de psilocibina. O processo de co-cultura envolve um mínimo de dois processos de transporte em massa.
Informações estruturais sobre as enzimas da via da psilocibina podem ser obtidas com base na promiscuidade do substrato. A ampla promiscuidade do substrato pode ser útil em outras aplicações de biossíntese, como na biossíntese de derivados de DMT ou através de aplicações diretas de bioconversão in vitro.
A estratégia de co-cultura é um método rápido e direto, para demonstrar que deformações previamente otimizadas são utilizadas como módulos de deformação em formato plug-and-play. Isso evita o processo intensivo de tempo e recursos de reotimização de deformação, que seria necessário ao expandir um caminho previamente otimizado.
As co-culturas limitam as métricas globais de produção ao necessitarem construir dois reservatórios de biomassa e devem ser consideradas as limitações do transporte célula-a-célula dos principais produtos intermédios, e isso pode ser considerada uma desvantagens.
A plataforma de produção de psilocibina baseada em E. coli é capaz de produzir psilocibina de novo, por otimização genética e de processo inicial, a fim de alavancar suas capacidades aprimoradas de biossíntese, para a produção de uma variedade de derivados de psilocibina e produtos intermediários relacionados.
É possível, também, informar a análise da flexibilidade do substrato nesta plataforma de biossíntese, baseada em bactérias e demonstrar o potencial para a produção de vários derivados modificados da psilocibina, utilizando-se uma abordagem biossintética.
Referências
FLOWER, Jessica E. et al. Biosynthesis of psilocybin and its nonnatural derivatives by a promiscuous psilocybin synthesis pathway in Escherichia coli. Biotechnology and Bioengineering, v. 120, n. 8, p. 2214-2229, 2023.
