Prof. dr hab. Maria Bretner jest kierownikiem zadania 11. realizowanego na Politechnice Warszawskiej w ramach Projektu „Biotransformacje użyteczne w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym”.

Prof. Bretner w rozmowie z naszym portalem opowiada o zastosowaniu biokatalizy do syntezy związków heterocyklicznych i lipidów o znaczeniu biologicznym. W rozmowie uczestniczy również dr inż. Monika Wielechowska, administrator i jeden z wykonawców zadania 11.

Jak w skrócie można scharakteryzować pojęcie biotransformacji? Jak dużą rolę odgrywa ona w dzisiejszym przemyśle?

Biotransformacje to reakcje chemiczne, w których pośredniczą organizmy żywe lub uzyskane z nich preparaty enzymatyczne. Biotransformacje odgrywają coraz większą rolę we współczesnym przemyśle, ale mało się o tym mówi. Z resztą biotransformacje od wielu lat są stosowane do produkcji leków i innych związków biologicznie czynnych np. efedryny czy witaminy C. W obu przypadkach mówi się o tzw. syntezie chemoenzymatycznej, czyli połączeniu wieloetapowej syntezy chemicznej z reakcją biotransformacji z udziałem organizmów żywych.

Czy biotransformacje można stosować w różnych dziedzinach gospodarki?

Biotransformacje stosuje się przede wszystkim w dziedzinach związanych z chemią medyczną, gdzie często wykorzystuje się związki optycznie czynne, które trudno otrzymać na drodze klasycznej syntezy chemicznej. Wówczas niezbędne i bardzo pomocne są biotransformacje, gdyż enzymy i organizmy je produkujące predysponowane są do prowadzenia reakcji regio- i stereoselektywnych.

Czego konkretnie dotyczy 11 zadanie, które jest realizowane w ramach głównego Projektu?

Zajmujemy się przekształceniem związków heterocyklicznych w celu otrzymywania związków o potencjalnej aktywności biologicznej. Pracujemy m.in. nad inhibitorami kinazy CK2, której podwyższoną aktywność stwierdzono w wielu chorobach nowotworowych. Staramy się zaprojektować i otrzymać związki, o aktywności inhibitorów kinazy CK2, czyli o potencjalnym działaniu przeciwnowotworowym. Równolegle badamy też pochodne izoksazoli o potencjalnej aktywności przeciwdrobnoustrojowej i przeciwnowotworowej. Jednocześnie poszukujemy nowych enzymów, które byłyby dedykowane do zastosowań przemysłowych. Enzymy katalizują konkretne typy reakcji, ale zmieniając warunki pracy np. temperaturę, pH, stosując dodatek rozpuszczalników organicznych, możemy znacząco wpływać na kierunek reakcji przez nie katalizowanych.

Czy nowe enzymy można otrzymać na drodze syntezy?

Enzymy, jako cząsteczki o bardzo skomplikowanej budowie przestrzennej, otrzymuje się obecnie przez wydzielenie ze źródeł naturalnych (tkanek zwierzęcych, roślinnych lub mikroorganizmów izolowanych z próbek środowiskowych), lub też metodami inżynierii genetycznej przez nadekspresję genu kodującego dany enzym. Natomiast synteza chemiczna enzymów jest nieopłacalna, ponieważ zbyt mało jeszcze wiemy o mechanizmach rządzących procesem formowania aktywnej struktury przestrzennej tych cząsteczek aby na podstawie sekwencji aminokwasowej przewidzieć ich właściwości i funkcje.

Co do tej pory udało się osiągnąć?

Do tej pory udało się nam otrzymać szereg nowych potencjalnych inhibitorów kinazy CK2, jednakże badania ich aktywności są w dalszym ciągu prowadzone.

Obszarem, na którym poszukujemy nowych enzymów są próbki środowiskowe pobrane na terenie Polskiej Stacji Antarktycznej im. Henryka Arctowskiego położonej na wyspie Króla Jerzego (Szetlandy Południowe, Antarktyka). Z różnych próbek gleby oraz paliwa wyizolowaliśmy kilkadziesiąt nowych szczepów mikroorganizmów. Część tych bakterii została scharakteryzowana na poziomie rodzaju, istnieją jednak nowe szczepy, których scharakteryzowanie jeszcze przed nami. Dodatkowo kolejne próbki są w drodze do naszego Zakładu.

Nowe szczepy z obszarów antarktycznych są bardzo interesujące, ponieważ aparat enzymatyczny tych mikroorganizmów przystosowany jest do pracy w niskiej temperaturze, w związku z czym wykorzystanie enzymów (psychrozymów) z nich izolowanych jest bardzo korzystne z punktu technologicznego, bo przynosiłoby duże oszczędności energii. Kolejnym plusem jest to, że psychrozymy wykazują większe zdolności katalityczne, z tego względu, iż jednym z mechanizmów przystosowawczych mikroorganizmów do bytowania w niskiej temperaturze jest zwiększenie elastyczności białek, w tym enzymów. Dlatego psychrozymy posiadają większy potencjał syntetyczny w stosunku do szerszego spektrum związków chemicznych. 

Jakie są wobec tego dalsze plany badań?

Obecnie pracujemy nad wyizolowaniem psychrozymów ze szczepów antarktycznych, dla których stwierdzona została wysoka aktywność enzymów hydrolitycznych. Na razie stosujemy enzymy w postaci preparatów pohodowlanych, ale chcielibyśmy otrzymać czyste enzymy i w przyszłości spróbować nadprodukcji metodami biologii molekularnej, ponieważ praca z mikroorganizmami psychrofilnymi jest trudna z racji ich wymagań wzrostowych.

Jaka byłaby aplikacyjność państwa wyników?

Potencjalnie nasze badania mają oczywiście charakter aplikacyjny, jednakże wszystko zależy do tego co przyniosą przyszłe wyniki. Na razie nie posiadamy żadnych patentów dotyczących obecnych badań. Możemy pochwalić się publikacjami na temat biotransformacji.

Za 1,5 roku kończy się termin realizacji Państwa zadania, jakie wyniki będą satysfakcjonujące?

Zadowolenie przyniosłoby sprawdzenie nowych możliwości enzymów, które do tej pory uzyskaliśmy, poznanie zakresu substratów, które przekształcają. Oczywiście poszerzenie wiedzy jest również ważnym aspektem. Cenna byłaby możliwość zastosowania w przyszłości nowych enzymów w przemyśle do nowych procesów. Jeśli chodzi o inhibitory to trzeba przebadać naprawdę dużo związków. Oczywiście byłoby wspaniale znaleźć nowe, inne niż te opisywane do tej pory w literaturze inhibitory CK2, ale niestety jest to bardzo trudne, gdyż nawet jeśli dany inhibitor działa dobrze in vitro to niestety in vivo nie koniecznie. Metabolizm w organizmie zwłaszcza ludzkim jest niezwykle skomplikowany.

Synteza nowych związków jest koniecznością gdyż pojawia się zjawisko oporności lekowej, które dotyczy zarówno mikroorganizmów jak i komórek nowotworowych. Należy poszukiwać podobnych, lub innych związków, które mogłyby przezwyciężyć oporność.

Jakie są dalsze perspektywy?

W perspektywie mamy już realizacje kolejnych aplikacyjnych projektów. W chwili obecnej skupiliśmy się nad projektem dotyczącym wytwarzania kwasu mlekowego z mleczarskich surowców odpadowych. Naszym zdaniem to bardzo ciekawy pomysł gdyż utylizacja odpadów jest droga. Wykorzystanie surowców, które są normalnie utylizowane przyniosłoby duże oszczędności. Dodatkowo można byłoby pracować nad zwiększaniem wydajności procesu wytwarzania kwasu mlekowego przez bakterie.

Dziękujemy serdecznie za rozmowę. Życzymy sukcesów zarówno w obecnym Projekcie jak i w Projektach, które będą Państwo realizować w przyszłości.

Rozmawiali Anita Kunikowska i Tomasz Sznerch