La mélatonine provenant de micro-organismes, d'algues et de plantes comme alternatives possibles à la mélatonine synthétique Partie 1

Abstrait: Les compléments alimentaires à base de mélatonine sont largement consommés dans le monde, les pays développés étant les plus gros consommateurs, avec un taux de croissance annuel estimé à environ 10 % jusqu'en 2027, principalement dans les pays en développement. La large utilisation de la mélatonine contre les troubles du sommeil et les problèmes particuliers, tels que le décalage horaire, s'est ajoutée à d'autres applications, telles que l'anti-âge, l'anti-stress, l'activation du système immunitaire, l'anticancéreux, et d'autres, qui ont déclenché son utilisation, généralement sans ordonnance. L'industrie chimique couvre actuellement 100 % des besoins du marché de la mélatonine. Motivée par des secteurs aux habitudes de consommation plus naturelles, la possibilité d'obtenir de la mélatonine à partir de plantes, appelée phytomélatonine, est apparue il y a quelques années. Plus récemment, l'industrie pharmaceutique a développé des micro-organismes génétiquement modifiés dont la capacité à produire de la mélatonine naturelle dans des bioréacteurs a été améliorée. Cet article passe en revue les aspects de la synthèse chimique et biologique de la mélatonine destinée à la consommation humaine, principalement en tant que complément alimentaire. Les avantages et les inconvénients de l'obtention de mélatonine à partir de micro-organismes et de phytomélatonine à partir de plantes et d'algues sont analysés, ainsi que les avantages de la mélatonine naturelle, évitant les sous-produits chimiques indésirables de la synthèse chimique de la mélatonine. Enfin, les aspects économiques et qualitatifs de ces nouveaux produits, dont certains sont déjà commercialisés, sont analysés.

Le glycoside de cistanche peut également augmenter l'activité de la SOD dans les tissus cardiaques et hépatiques et réduire considérablement la teneur en lipofuscine et en MDA dans chaque tissu, piégeant efficacement divers radicaux réactifs de l'oxygène (OH-, H₂O₂, etc.) et protégeant contre les dommages à l'ADN causés par des radicaux OH. Les glycosides phényléthanoïdes de Cistanche ont une forte capacité de piégeage des radicaux libres, une capacité de réduction supérieure à la vitamine C, améliorent l'activité de la SOD dans la suspension de sperme, réduisent la teneur en MDA et ont un certain effet protecteur sur la fonction de la membrane du sperme. Les polysaccharides Cistanche peuvent améliorer l'activité de la SOD et du GSH-Px dans les érythrocytes et les tissus pulmonaires de souris sénescentes expérimentalement causées par le D-galactose, ainsi que réduire la teneur en MDA et en collagène dans les poumons et le plasma et augmenter la teneur en élastine, ont un bon effet de piégeage sur le DPPH, prolonge le temps d'hypoxie chez les souris sénescentes, améliore l'activité de la SOD dans le sérum et retarde la dégénérescence physiologique du poumon chez les souris expérimentalement sénescentes Avec la dégénérescence morphologique cellulaire, des expériences ont montré que Cistanche a la bonne capacité antioxydante et a le potentiel d'être un médicament pour prévenir et traiter les maladies du vieillissement cutané. Dans le même temps, l'échinacoside dans Cistanche a une capacité significative à piéger les radicaux libres DPPH et peut piéger les espèces réactives de l'oxygène, empêcher la dégradation du collagène induite par les radicaux libres et a également un bon effet réparateur sur les dommages causés par les anions des radicaux libres thymine.

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Mots clés: compléments alimentaires; OGM ; mélatonine; micro-organismes; phytomélatonine; matière première végétale

1. Introduction

Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) is widely used around the world as a  dietary supplement. In general, melatonin is used as a sleep aid supplement, a mild tranquilizer, a generalist antioxidant, and an anticancer and anti-aging component, among others [1]. According to the American Psychiatric Association (APA), approximately one-third of adults suffer from insomnia during their lifetime [2]. It manifests itself in ongoing problems falling asleep and staying asleep. Therefore, it is very likely that the use of synthetic melatonin will spread. In 2019, the global production of synthetic melatonin,  which was around 4000 tons, accounted for around 1.3 billion USD. This vast market is fully assisted by the chemical melatonin, whose synthesis process is very cheap, effective, and,  therefore, lucrative. The melatonin market is expected to grow at a CAGR (compound annual growth rate) of >10 % au cours des 5 prochaines années. Avec cette augmentation considérable de la demande, les problèmes d'insomnie générés par la pandémie de COVID-19 ont été d'une grande pertinence [3]. L'Amérique du Nord a de loin la consommation la plus élevée, suivie de l'Europe. Le marché mondial de la mélatonine est principalement contrôlé par quelques grandes entreprises, telles que BASF, Aspen Pharmacare Australia, Nature's Bounty, Pfizer Inc., Natrol LLC, Aurobindo Pharma et Biotics Research Co. Notez que la consommation de mélatonine à des fins médicales implique environ 50 % de la mélatonine synthétique produite ; le reste a des applications chimiques et industrielles [2,4].

Biologiquement, la mélatonine est une molécule largement distribuée dans tous les règnes du vivant [5]. Découvert en 1958 dans la glande pinéale d'une vache [6] et plus tard chez l'homme [7], c'est l'une des biomolécules les plus étudiées, et ses multiples fonctions sont connues, principalement chez les mammifères [8,9], mais aussi chez les poissons. [10–12], volailles [13,14] et invertébrés [15]. Dans les cellules animales et humaines, la mélatonine agit comme un antioxydant, un rôle pertinent qui lui a été attribué en 1993 [16-18]. La mélatonine agit comme un protecteur cellulaire intéressant dans des situations stressantes, dans divers aspects physiologiques chez l'homme, et, selon de multiples études, bénéficie d'une amélioration de différentes maladies et dysfonctionnements. La figure 1 montre quelques-unes des actions protectrices et régulatrices de la mélatonine chez l'homme et présente la mélatonine comme une molécule pléiotrope intéressante, se démarquant par sa pertinence, le rôle de la mélatonine dans la régulation du métabolisme des lipides et du glucose, induisant l'insulino-résistance nocturne et l'insuline diurne. sensibilité. Cet effet semble être associé au jeûne nocturne et à l'alimentation diurne, empêchant une prise de poids excessive [19]. Nous soulignons également son rôle d'agent anti-oncogène, inhibant la croissance, la prolifération et les métastases de plusieurs tumeurs. Le traitement des tumeurs avec de la mélatonine a amélioré la sensibilité à la chimiothérapie et à la radiothérapie, agissant comme une molécule synergique dans le contrôle des cellules cancéreuses. De plus, la mélatonine atténue les dommages aigus aux cellules normales, les protégeant contre la toxicité des médicaments, éventuellement en améliorant les réponses immunitaires [20-22]. Parmi les dysfonctionnements et les maladies où les effets bénéfiques de la mélatonine ont été étudiés figurent les troubles neurologiques, tels que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, la fibromyalgie, la dépression, le trouble déficitaire de l'attention avec hyperactivité, l'autisme et les migraines ; les problèmes de santé cardiovasculaire, y compris l'hypercholestérolémie, l'hypertension, le syndrome métabolique et le déséquilibre glycémique ; problèmes de santé gastro-intestinaux, tels que reflux gastro-oesophagien, ulcères et syndrome du côlon irritable; les problèmes de santé immunologiques, tels que la sclérose en plaques, les réponses auto-immunes (stress sportif, stress toxique, psoriasis, etc.), la septicémie, le COVID-19, etc. [3,23–26] ; et aussi l'ostéopénie [27], la sarcopénie [28], la pré-éclampsie, la fertilité, le syndrome des ovaires polykystiques et la ménopause, entre autres [29–32]. Cependant, même si la mélatonine est une molécule largement étudiée depuis les années 1950, les études menées nécessitent des essais plus cliniques et poussés en double aveugle pour préciser son action pléiotrope parfois déroutante [33,34].

Or, la mélatonine est bien connue pour être l'hormone qui régule le sommeil. Ses niveaux oscillants dans le flux sanguin selon les périodes de lumière et d'obscurité (rythmes circadiens) dus à la libération de mélatonine par la glande pinéale est l'un des aspects les plus étudiés et connus de cette molécule. L'augmentation des taux sanguins de mélatonine pendant la première période de sommeil à environ 150-220 pôles/mL agit sur l'initiation du sommeil, réduit la latence et la fragmentation du sommeil et augmente la durée et la qualité du sommeil [1,35,36]. La mélatonine agit comme un synchroniseur interne du cycle veille-sommeil circadien et de la rythmicité saisonnière. En ce sens, de nombreux troubles du sommeil ont été traités par la mélatonine, notamment le syndrome de retard de phase du sommeil, le trouble du sommeil du travail posté de nuit, le trouble affectif saisonnier, les troubles du sommeil chez les aveugles et le vieillissement, et les troubles physiopathologiques de l'enfant, avec des améliorations notables de la qualité du sommeil [1]. 37–41]. Le trouble le plus répandu traité avec de la mélatonine est le décalage horaire, un déphasage des rythmes veille-sommeil après les vols transocéaniques [42–45]. Il est possible que l'accent mis dans les études sur son rôle de régulateur du sommeil ait entraîné un manque d'études sur son rôle possible dans de nombreux autres aspects physiologiques et cliniques.

La mélatonine dans les plantes, appelée phytomélatonine, a été découverte simultanément par trois groupes de recherche dans divers matériels végétaux en 1995 [46–48]. Le terme phytomélatonine, qui désigne la mélatonine d'origine végétale (plantes et algues), est utilisé pour la différencier de la mélatonine animale et/ou synthétique. Ce terme est très répandu et est utilisé de manière continue dans les études de phytochimie, de physiologie végétale, de botanique, de chimie alimentaire, etc., sur la mélatonine végétale. Chez les plantes, la phytomélatonine est également une molécule pléiotrope, présentant de multiples rôles dans diverses réponses physiologiques (Figure 1). La régulation par la mélatonine d'aspects tels que la photosynthèse, y compris l'absorption stomatique de CO2 et l'économie de l'eau, le métabolisme des glucides, des lipides, de l'azote et du soufre, et le métabolisme des phénols simples, des flavonoïdes et des terpénoïdes, a démontré un intérêt crucial pour les processus fondamentaux et techniques de la croissance végétative. (germination, croissance des plantes, enracinement, ramification, etc.) et le développement reproducteur, y compris la fertilité, la parthénocarpie, le développement des graines et des fruits, la maturation, la sénescence et la conservation des fruits et des fleurs coupées [49–53]. Généralement, la mélatonine régule ces processus par l'action du réseau d'hormones végétales, régulant à la hausse ou à la baisse plusieurs facteurs de biosynthèse, cataboliques et de transcription liés aux hormones végétales [54–56]. L'un des aspects les plus intéressants sur le plan agronomique et biotechnologique est le rôle de la phytomélatonine en tant que promoteur de la tolérance aux stress biotiques et abiotiques [57–68] (Figure 1). Actuellement, la phytomélatonine est présentée comme un outil écologique intéressant pour contrôler les maladies biologiques et faciliter la résistance/adaptation des plantes au/contre le changement climatique.

2. Biosynthèse de la mélatonine

La mélatonine est un composé acétylé dérivé de la sérotonine. Les deux amines indoliques sont synthétisées à partir de l'acide aminé tryptophane dans une voie de biosynthèse qui a été largement étudiée chez les animaux et les plantes [69,70]. Chez les plantes, le tryptophane est converti en tryptamine par l'enzyme tryptophane décarboxylase (TDC) (Figure 2). La tryptamine est ensuite convertie en 5-hydroxytryptamine (sérotonine) par la tryptamine 5-hydroxylase (T5H), une enzyme qui a été largement étudiée chez le riz, et qui pourrait agir avec de nombreux substrats, bien que cela n'ait pas été étudié en profondeur. La sérotonine est N-acétylée par la sérotonine N-acétyltransférase (SNAT). La N-acétylsérotonine est ensuite méthylée par l'acétylsérotonine méthyl transférase (ASMT) - une hydroxy indole-O-méthyltransférase - qui génère de la mélatonine. Chez les plantes, la méthylation de la N-acétylsérotonine peut également être réalisée par l'acide caféique O-méthyltransférase (COMT), une classe d'enzymes qui peuvent agir sur une variété de substrats, y compris l'acide caféique et la quercétine [71]. La sérotonine peut également être transformée en 5-méthoxy tryptamine par l'ASMT/COMT pour générer de la mélatonine après l'action du SNAT. Cette voie se produirait dans des situations de sénescence et/ou de stress [70,72]. De plus, la mélatonine peut être générée par la formation de N-acétyl tryptamine par SNAT, qui serait convertie en N-acétylsérotonine par T5H [73], bien que cette voie n'ait pas été démontrée, peut-être parce que T5H est l'enzyme la moins étudiée de la voie (Figure 2). Fait intéressant, jusqu'à quatre gènes codant pour les histone désacétylases (DAC) ont été identifiés dans les plants de riz qui peuvent inverser les étapes de la sérotonine à la N-acétylsérotonine et de la 5-méthoxy tryptamine à la mélatonine. Le DAC, exprimé dans le chloroplaste, a présenté une activité enzymatique vis-à-vis de la N-acétylsérotonine, de la N-acétyl tryptamine et de la mélatonine, avec l'activité désacétylase la plus élevée pour la N-acétyl tyramine [74].

Dans les cellules animales, la sérotonine est formée à partir de l'5-hydroxytryptophane après l'action séquentielle de la tryptophane hydroxylase (TPH) et du TDC. Bien que la TPH n'ait pas été détectée dans les plantes, la présence d'5-hydroxytryptophane suggère qu'une certaine activité enzymatique, telle que celle de la TPH, agit dans une moindre mesure dans les cellules végétales. De plus, la mélatonine peut être générée par la formation de 5-méthoxy tryptamine, principalement dans des conditions de stress comme le proposent plusieurs auteurs, suggérant que la voie de biosynthèse de la mélatonine peut suivre diverses voies alternatives par rapport aux cellules animales, avec une plus grande capacité d'adaptation aux changements métaboliques chez les plantes [72,75]. Toutes les enzymes nommées ont été détectées et caractérisées chez le riz et Arabidopsis, à l'exception de la TPH, qui est bien connue chez les animaux mais pas chez les plantes. Néanmoins, certains auteurs ont proposé que la T5H puisse agir comme une hydroxylase avec une faible spécificité de substrat et soit capable d'agir dans toutes les étapes d'hydroxylation décrites [70, 76–79]. Cette même large spécificité de substrat peut également être attribuée aux enzymes SNAT, ASMT et COMT. Les intermédiaires de la mélatonine sont produits dans divers compartiments sous-cellulaires, tels que le cytoplasme, le réticulum endoplasmique, les mitochondries et les chloroplastes, qui déterminent les étapes enzymatiques ultérieures [80,81].

Chez les microorganismes, il existe peu d'études sur la voie de biosynthèse de la mélatonine [82]. Saccharomyces et des bactéries (Geobacillus, Bacillus et Pseudomonas) produisaient à la fois de la sérotonine et de la mélatonine à différentes concentrations [83–89]. De plus, la production de mélatonine a été mise en évidence par d'autres auteurs dans les cultures des levures Pichia kluyveri, Saccharomyces cerevisiae et S. uvarum et des bactéries (Agrobacterium, Pseudomonas, Variovorax, Bacillus et Oenococcus) [85,90,91] et antérieurement chez les bactéries photosynthétiques Rhodospirillum rubrum [92] et Erythrobacter longus [93] et Escherichia coli [94].

Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, contrairement aux plantes et aux animaux, il semble que la biosynthèse de l'5-hydroxytryptophane à partir du tryptophane ne se produise pas. Fait intéressant, plusieurs des étapes décrites semblent être réversibles chez S. cerevisiae, comme entre 5-hydroxytryptophane et sérotonine, N-acétylsérotonine et mélatonine, et 5-méthoxy tryptamine et mélatonine [90,95], comme détaillé dans la figure 2. Chez Bacillus amyloliquefaciens SB-9 et Pseudomonas fluorescens RG11, 5- hydroxytryptophane, sérotonine et N-acétylsérotonine, mais aucune tryptamine n'a été détectée [85,86]. Ainsi, plusieurs gènes d'origine bactérienne ont été utilisés pour construire une souche d'Escherichia coli productrice de mélatonine. Par exemple, le gène DDC, codant pour une décarboxylase d'acide aminé L aromatique de Candidatus Koribacter polyvalent Ellin 345 et Draconibacterium orientale, et le gène AANAT, codant pour une alkylamine N-acétyltransférase de Streptomyces griseofuscus, ont été dosés [96,97]. Sans aucun doute, d'autres études sont nécessaires pour élucider les voies de biosynthèse complètes de la mélatonine dans différents microbes procaryotes et eucaryotes [82].

3. Mélatonine biologique versus mélatonine synthétique

Initialement, la mélatonine a été obtenue pour des études expérimentales et cliniques à partir de sources animales (principalement de la glande pinéale et de l'urine), avec le risque conséquent de transmission virale [98,99]. Ces techniques ont été abandonnées lorsque la mélatonine a pu être obtenue par synthèse chimique [100]. Actuellement, toute la mélatonine utilisée à des fins industrielles et médicales est obtenue en utilisant des méthodes de synthèse chimique. Ces méthodes, qui présentaient de sérieux problèmes dans les années 1980, notamment des décès dus à la présence de sous-produits de synthèse du tryptophane [101], sont aujourd'hui beaucoup plus sûres et plus efficaces. Or, les préparations de mélatonine ont décrit la présence de tout un ensemble de sous-produits indésirables du fait de leur caractère toxique. La figure 3 montre trois des voies de synthèse chimique les plus couramment utilisées pour la mélatonine et les sous-produits générés lors de sa synthèse [102]. La synthèse de mélatonine à partir de dérivés du tryptophane (Figure 3, Schéma A) génère des sous-produits toxiques qui ont parfois provoqué des maladies importantes, comme le syndrome éosinophilie-myalgie [101,103,104], alors que les méthodes les plus courantes (Figure 3, Schéma B) pour la synthèse de mélatonine à partir de phtalimide [105] soulèvent des doutes importants quant à la toxicité de plusieurs des sous-produits générés [106]. De plus, les réactions de Fischer indole à partir d'allylamine (Figure 3, Schéma C) présentent des réactifs dangereux et toxiques [107].

D'autre part, l'obtention de mélatonine à partir de sources biologiques non animales est présentée comme un engagement fort pour l'avenir, non pas pour remplacer la mélatonine synthétique mais pour être une source complémentaire et alternative plus naturelle [108].

4. Stratégies pour obtenir de la mélatonine biologique

La mélatonine est présente dans toutes les espèces biologiques connues, des procaryotes aux eucaryotes, y compris les levures, les algues, les champignons et les plantes, ainsi que les animaux [80, 109-111]. Ci-dessous, les méthodologies développées dans les micro-organismes et les plantes comme sources possibles de mélatonine naturelle sont présentées.

4.1. Mélatonine provenant de micro-organismes

un. Saccharomyces

La première approche de la production de mélatonine biologique a récemment été réalisée par un groupe de la société pharmaceutique danoise Novo Nordisk en utilisant des Saccharomyces cerevisiae génétiquement modifiés (Tableau 1, produit #1). Germann et ses collaborateurs ont construit une voie de recombinaison de la mélatonine dans une souche de levure contenant des gènes hétérologues codant pour plusieurs enzymes de biosynthèse de la mélatonine et des voies de soutien des cofacteurs [112]. La levure transgénique a codifié différents gènes de Rattus norvegicus, Lactobacillus ruminis, Pseudomonas aeruginosa, Homo sapiens, Schistosoma mansoni, Bos Taurus et Salmonella enterica. En alimentant les levures uniquement avec du glucose et de l'acétyl Co-A, la production de mélatonine a atteint 14,5 mg·L −1 à 76 h. Néanmoins, selon d'autres auteurs, certains problèmes, tels que l'accumulation élevée de N-acétylsérotonine dans les cellules de levure, l'expression déséquilibrée des gènes et l'identification de certains intermédiaires toxiques potentiels, doivent être résolus [113].

b. Escherichia coli

Dans une deuxième approche, utilisant cette fois une culture d'Escherichia coli transgénique modifiée (tableau 1, produit n° 2), Novo Nordisk a rapporté la production biologique de mélatonine à partir d'une souche hétérologue construite à partir d'E. coli recombinant, comprenant plusieurs gènes tels que le gène TDC de Candidatus Koribacter polyvalent, le gène SNAT de Streptomyces griseofuscus et le gène ASMT humain. De plus, certains gènes liés au tryptophane ont été bloqués ou supprimés pour empêcher une répression, une dégradation et un transport d'exportation indésirables [96,97]. Après plusieurs améliorations de souches et une alimentation avec des sels minéraux, des vitamines et des antibiotiques, les cellules cultivées ont généré de la mélatonine à ~1 g·L -1 en utilisant le glucose comme seule source de carbone et jusqu'à 2 g·L -1 dans les cellules nourries au tryptophane, avec des niveaux négligeables de sous-produits. Ainsi, selon les auteurs, ces souches OGM d'E. coli pourraient constituer la base d'une future production biologiquement commerciale de mélatonine à l'aide d'usines de cellules microbiennes. Néanmoins, l'utilisation d'organismes transgéniques pour produire des substances destinées à la consommation humaine peut poser problème lorsqu'il s'agit d'apporter un produit naturel à un consommateur sensibilisé ou anti-OGM.

c. Bactéries lactiques

La mélatonine a également été produite industriellement par fermentation microbienne, comme rapporté dans [114]. La biosynthèse de la mélatonine était dirigée par des bactéries lactiques multi-souches, telles que Lactobacillus sp. (L. brevis, acidophilus, bulgaricus, sous-espèce casei. sake, fermentum, helveticus sous-espèce. jogorti, plantarum); Bifidobacterium sp. (B. breve spp. breve, longum spp. infantis); Enterococcus sp. (E. faecalis TH10); et Streptococcus thermophilus. Les produits fabriqués selon cette technologie sont commercialisés par Quantum Nutrition Labs (Texas, États-Unis) sous le nom de Melatonin Drops, Qultured™, contenant 8 mg de mélatonine de levure (tableau 1, produit n° 3).

d. Chlorelle

Un produit à base d'algues est l'Herbatonin® (Tableau 1, produit #4), formulé en comprimés contenant 0.3 ou 3 mg de phytomélatonine, bien qu'en Europe il soit commercialisé à des doses de 0.3 et 1,9 mg, conformément aux lois de l'UE. Cette formulation contient plusieurs espèces végétales telles que le riz (Oryza sativa L.) et la luzerne (Medicago sativa L.), ainsi que l'algue verte Chlorella pyrenoidosa et C. vulgaris. Nos données montrent que ces microalgues ne contenaient pas plus de 2–15 ng·g DW−1 [115], et les espèces végétales compagnes contiennent de très faibles niveaux de phytomélatonine, 1–5 ng·g−1 dans le riz et 16 ng·g −1 dans la luzerne [116]. La présence de Chlorella suggère que la phytomélatonine est principalement obtenue en cultivant l'algue verte dans des bioréacteurs, éventuellement alimentés avec des précurseurs tels que le tryptophane, de manière similaire à celle d'Achillea millefolium [117], bien qu'il n'y ait pas de données publiées sur la méthode de l'obtention de ces extraits riches en phytomélatonine, seule leur caractérisation biochimique [118]. Il n'y a pas non plus de données sur le contrôle de la présence de cyanotoxines dans ces extraits en raison des contaminations possibles par des cyanobactéries (algues bleues). Ces cyanotoxines ont plusieurs effets indésirables liés à la cancérogénicité, l'hépatotoxicité et la neurotoxicité, entre autres. Ainsi, la détection de cyanotoxines dans certains compléments alimentaires à base d'algues renforce la nécessité d'un meilleur contrôle qualité [119,120].

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