Forschungsfortschritte bei der mikrobiellen Umwandlung von pentacyclischen Triterpenoiden
Biokonversion oder Biotransformation bezeichnet den Prozess, bei dem exogene Verbindungen unter der Einwirkung des Organismus selbst oder der katalytischen Wirkung aktiver Enzyme im Körper bestimmten biochemischen Reaktionen unterzogen werden, die zu strukturellen Veränderungen und zur Produktion wertvoller Verbindungen führen. Sie wird auch als Biokatalyse bezeichnet. Im Jahr 1864 entdeckte Pasteur, dass Acetobacter Ethanol in Essigsäure umwandeln kann, was den Beginn der Entwicklung der mikrobiellen Transformationstechnologie durch den Menschen markierte. In den 1950er Jahren wandelten Forscher mit Hilfe von Rhizopus nigrican Progesteron in 11 α-Hydroxyprogesteron um und setzten damit einen wichtigen Meilenstein in der Geschichte der Biotransformation.
Im Vergleich zur chemischen Umwandlung hat die biologische Umwandlung die Vorteile des Umweltschutzes, einer hohen katalytischen Effizienz, milder Reaktionsbedingungen und einer einfachen Nachbehandlung. Sie kann oft eine Umwandlung erreichen, die bei der chemischen Umwandlung nicht einfach zu erreichen ist, wie z. B. die Glykosylierungsreaktion, wodurch die biologische Aktivität erhöht, die Toxizität verringert und die Bioverfügbarkeit verbessert wird. Insbesondere hat die Biotransformation eine hohe Regioselektivität und Stereoselektivität, und es gibt auch viele Arten von Reaktionen, wie Oxidation, Reduktion, Hydrolyse, Kondensation, Hydroxylierung, Aminierung, Zyklisierung, Acylierung, Decarboxylierung, Methylierung und Demethylierung, Dehydrierung usw., die es einfacher machen, strukturell neuartige Verbindungen zu erhalten und wertvollere Leitverbindungen für die Entwicklung neuer Arzneimittel bereitzustellen. Das Screening nach wirksamen Transformationsstämmen unter einer Vielzahl von Mikroorganismen stellt jedoch derzeit noch eine große Herausforderung dar.
Pentazyklische Triterpenoide kommen hauptsächlich in höheren Landpflanzen vor und lassen sich in drei Strukturtypen einteilen: Ursolsäuretyp, Oleanantyp und Lupinentyp. Es wurde berichtet, dass diese Verbindungen viele biologische Aktivitäten haben, wie z.B. Anti-Krebs, Anti-Diabetes, Anti-Virus, Anti-Bakterium und Anti-Oxidation. Obwohl viele Heilkräuter pentazyklische Triterpenoide enthalten, weisen sie oft Einschränkungen auf, wie z. B. einen geringen Gehalt, geringe Aktivität oder hohe Toxizität. Durch Biotransformation können pentazyklische Triterpenoide in wertvollere Wirkstoffe mit hoher Aktivität und geringer Toxizität oder in Leitverbindungen mit neuartigen Strukturen umgewandelt werden, die die Grundlage für weitere strukturelle Veränderungen und die Entwicklung neuer Arzneimittel bilden.

Aus den obigen Untersuchungen geht unschwer hervor, dass durch mikrobielle Transformation natürliche organische Verbindungen in eine Vielzahl von Derivaten umgewandelt werden können, die strukturell neuartige Verbindungen für das Screening biologischer Aktivitäten und die Entwicklung neuer Arzneimittel liefern. Es gibt viele Arten von Mikroorganismen, die zur Biotransformation fähig sind, wobei Pilze am häufigsten für die Biotransformation von pentacyclischen Triterpenoiden untersucht werden, insbesondere Pilze. Zu den Reaktionstypen gehören Hydroxylierung, Carbonylierung, Hydrolyse, Carboxylierung, Glycosylierung, Reduktion, Dehydrooxidation und Acetylierung. In Pilzen treten Hydroxylierungsreaktionen am häufigsten an den Positionen C7, C15 und C21 auf, wobei bedeutende Umwandlungen an den Positionen C1, C2, C23, C24 und C30 stattfinden. Einige wenige Umwandlungen finden an den Positionen C4, C5, C6, C13, C19, C25, C26 und C29 statt. Carbonylierungsreaktionen treten am häufigsten an den Positionen C3 und C21 auf, vereinzelt auch an den Positionen C2 und C24. Veresterungsreaktionen treten am häufigsten an den Positionen C13 und C28 auf, wurden aber auch an den Positionen C7 und C27 gefunden. Die Dehydrierungsreaktion ist am häufigsten an der C11-Position und gelegentlich an den C4-, C5- und C23-Positionen zu finden. Die Carboxylierung ist auch an den Positionen C3, C29 und C30 sehr häufig. Die C3-, C28- und C30-Positionen sind häufige Verbindungsstellen für Glukose und sind am anfälligsten für Hydrolyse und Glykosylierungsreaktionen. Es gibt etwas weniger Forschungsberichte über die Umwandlung von pentacyclischen Triterpenoiden mit Hilfe von Bakterien als mit Pilzen. Die meisten Forschungsberichte beziehen sich auf Bakterien, bei denen hauptsächlich Reaktionstypen wie Hydroxylierung, Carbonylierung, Glykosylierung, Hydrolyse und Veresterung zum Einsatz kommen. Diese Reaktionen können eine Hydroxylierung an den Positionen C2, C1, C7, C15, C23 und C30 sowie eine Carbonylierung an der Position C3 bewirken. In Pilzen wurden diese Arten von Reaktionen jedoch noch nicht durchgeführt. Die Cyclooxidation erfolgt an den Positionen C11 und C26, die Spaltung erfolgt an den Positionen C2 und C3 des A-Rings, die Acetylierung erfolgt an Position C1, und die Carbonsäure an Position C28 wird zu Hydroxymethyl reduziert.
Der Zweck der Biotransformation ist die Umwandlung von Substraten in aktivere Verbindungen. Einige Umwandlungsreaktionen verstärken die zytotoxische Aktivität gegen Tumorzellen, z. B. die Hydroxylierung an den Positionen C2, C7 und C21, die Methylierung an der Position C28, die Glykosylierung an der Position C3 und die Monosaccharid-Glykosylierung an der Position C28. Diese Transformationsprodukte bieten eine materielle Grundlage für das Screening und die Untersuchung der Aktivität von Antitumormitteln. Darüber hinaus kann die Glykosylierung an der C28-Position die Blutgerinnung verringern und Leitverbindungen für Herz-Kreislauf-Erkrankungen liefern. Einige Umwandlungsreaktionen können die entzündungshemmende Wirkung verstärken, z. B. die Carbonylierung an der C3-Position, die Acetylierung an der C1-Position, die Hydroxylierung an den C1-, C7-, C15-, C21- und C24-Positionen und die Glykosylierung an den C3-, C28- und C30-Positionen. Einige Umwandlungsreaktionen verstärken die antibakterielle Aktivität, z. B. die Glykosylierung an den Positionen C28 und C3, die Carbonylierung an der Position C3 und die Hydroxylierung an der Position C21, und die daraus resultierenden Derivate haben das Potenzial, antibakterielle Medikamente zu entwickeln. Die C29-Carboxylierung hat neuroprotektives Potenzial. Mit der Erforschung der Biotransformationstechnologie von pentacyclischen Triterpenoiden wurde eine große Anzahl von Wirkstoffen entdeckt, und diese neuen Transformationsprodukte liefern weiterhin neue Leitverbindungen oder pharmakologische Substanzen für klinische Anwendungen. Es gibt zahlreiche Arten von Mikroorganismen, und es muss weiter erforscht werden, wie durch das Screening nach biotransformationsaktiven Stämmen ein neuer Aktivitätswert für pentazyklische Triterpenoide geschaffen werden kann.
In den letzten Jahren hat die rasche Entwicklung des Enzym-Engineerings, der Zell- und Enzymimmobilisierung, der Gentechnik, des Fermentations-Engineerings, der Metabolomik, der Proteomik usw. das Potenzial, mehrere Gene in denselben Engineering-Stamm zu integrieren, um mehrere Transformationsreaktionen gleichzeitig durchzuführen, wodurch die mikrobielle Transformation bessere Aussichten für die Arzneimittelsynthese hat.