Как вырабатывается меланин: Вся правда о меланине / Всё о нашей коже Teana Labs

Содержание

Мелатонин – гормон сна когда вырабатывается и как принимать.

Вечером, когда дети смирно сидят за столом или на своих скамеечках, является Оле Лукойе. В одних чулках он подымается тихонько по лестнице, потом осторожно приотворит дверь, неслышно шагнет в комнату и слегка прыснет детям в глаза сладким молоком. Веки у детей начинают слипаться…

Тем же вечером, когда взрослые смирно сидят перед телевизором или за своим компьютером, является мелатонин. Без чулок он тихонько появляется часа за два до сна, неслышно тормозит активные процессы в организме и слегка регулирует давление. Веки у взрослых тоже начинают слипаться. (На самом деле, детский сон тоже не обходится без мелатонина, но версия с Оле Лукойе куда занимательней для юного ума).

Мелатонин – гормон, который вырабатывается в эпифизе, шишковидной железе мозга. Его производство согласуется с нашими внутренними часами – циркадными ритмами и сменой времени суток. Мелатонин не погружает вас в сон моментально, он лишь создаёт в организме необходимые условия для отдыха – снижает концентрацию, замедляет скорость реакций, расслабляет мышцы. Уровень гормона весьма незначителен днём и сильно повышается за пару часов до обычного времени отхода ко сну. Его содержание в крови остаётся высоким на протяжении всей ночи, пик приходится на период между полуночью и пятью часами утра. На выработку мелатонина серьёзно влияет уровень освещённости – его производство снижается, если вечером вы находитесь в ярко освещённом помещении или активно пользуетесь смартфоном и компьютером. Регулярные нарушения в выработке гормона чреваты бессонницей и дневной сонливостью и влекут за собой более серьёзные проблемы со здоровьем в долгосрочной перспективе. Например, существуют научные данные о связи между недостаточной выработкой мелатонина и диабетом.

Разумеется, в идеальном мире у вас здоровый режим сна, мелатонин вырабатывается строго по расписанию, вы спите 7-9 часов в стуки, а пробуждение происходит с первыми лучами солнца под пение птиц. Но сказки лучше оставить детям. Один из способов помочь Оле Лукойе вашего организма подняться по лестнице эпифиза – приём мелатонина в таблетках. По составу они идентичны натуральному гормону, но принимать синтетический препарат не то же самое, что мазать веки сладким молоком. Главная загвоздка – дозировка. Препараты, содержащие мелатонин, не подлежат обязательной медицинской сертификации и проходят в торговой группе биологических добавок. Нередко реальная дозировка не соответствует указанной на упаковке. По данным Национальной ассоциации сна США некоторые из таких таблеток повышают уровень мелатонина в 20 раз. Это поможет вам заснуть практически моментально, но весь следующий день вы будете вялым и уставшим – уровень гормона в крови просто не успеет упасть к утру. Регулярный приём мелатонина снижает его естественную выработку: тело привыкает к «поставкам» и перестаёт производить гормон в нужных объёмах. Таким образом нарушается гормональный баланс, а это серьёзная неполадка в работе всего организма. Также не стоит применять препарат без очевидных показаний вроде длительной бессонницы или джетлага.

Как и в случае с любым другим лекарством, перед приёмом мелатонина необходимо посоветоваться с врачом. Он определит, подходит ли подобный препарат для вашего случая, какая дозировка соответствует вашей цели, и как долго можно его принимать без ущерба для организма. Мелатониновые таблетки максимально эффективны в сочетании со здоровыми привычками: качественные условия для отдыха и постоянным временем отхода ко сну. Если же вы не хотите пить таблетки, то попробуйте есть больше бананов, овсянки и вишни – это натуральные источники мелатонина.

Как солнце влияет на организм человека в северных условиях

У нас солнечные лучи очень активны и их длительное интенсивное воздействие на кожу может привести к явлению фотостарения

Фото: Расул МЕСЯГУТОВ


В Магадане по-особенному ждут теплых дней, когда солнце не только освещает, но и согревает землю.

Колымчане с первыми теплыми лучами собираются на природу ловить рыбу, жарить шашлык и, конечно, загорать. Загорать на солнце любят многие жители Колымы, но немногие задумываются о том, к каким последствиям это может привести. «МП» объяснит, почему об этом стоит помнить всегда.

Больше загоришь — быстрее состаришься

Как известно, на Севере солнечные лучи очень активны и их длительное интенсивное воздействие на кожу может привести к явлению фотостарения. Об этом явлении узнали в двадцатом веке, когда нашли прямую связь между сильным регулярным загаром и старением кожи.

— Загар проявляется на коже как защита в ответ на солнечное облучение. Клетки кожи меланоциты поглощают солнечные лучи и вырабатывают темный пигмент — меланин (не путать с мелатонином — гормоном эпифиза). Кожа становится смуглой. Как только активность солнца снижается, она опять светлеет. Но со временем этот механизм ломается. Пигмент вырабатывается неоднородно, на коже возникают темные пятна, которые могут появляться и исчезать в зависимости от времени года и солнечной активности. Кроме того, фотостарение проявляется огрубением, появлением морщин, снижением тонуса кожи, — объясняет магаданский косметолог Анна Савина.

Почему эффект фотостарения возникает? Потому что ультрафиолет проникает в глубокие слои кожи и способствует выработке активных частиц или нестабильных молекул (чаще всего это атомы кислорода), вызывающих перерождение здоровых клеток организма — происходит повреждение коллагеновых волокон, нарушение синтеза коллагена, эластина и гиалуроновой кислоты. Эти процессы способствуют появлению нежелательных морщин и быстрому старению кожи.

Как же этого избежать? Анна Савина рекомендует пользоваться защитными кремами и не злоупотреблять длительным нахождением на солнце.

— Мы, северяне, привыкли пользоваться кремами на курорте, где-то в жарком климате, а у нас на Севере — нет, а даже, наоборот, с жадностью загораем при первой возможности. Действительно, некоторое количество ультрафиолета нам необходимо для хорошего усвоения кальция и витамина D, но это не значит, что не нужно себя защищать от избытка воздействия ультрафиолета, — говорит Анна Савина.

Свет — враг

Однако эффект быстрого старения не самая большая проблема, которую вызывает солнечное облучение. Длительное нахождение на солнце может способствовать возникновению онкологических заболеваний. Об этом «МП» рассказала кандидат биологических наук Елена Луговая.

— При избыточном световом воздействии снижается выработка мелатонина — важного гормона эпифиза, самой маленькой железы нашего тела, расположенной в головном мозге. Еще его называют шишковидной железой или третьим глазом. Гормон мелатонин отвечает за восстановление функциональных резервов организма, является веществом антистарения (когда мы спим, мы не стареем) и также онкопротектором, — рассказывает

Елена Луговая.

Данный гормон вырабатывается ночью в темноте. Нам, северянам, очень важно поддерживать его в норме. Жизнь в нашем регионе проходит в особых условиях светового режима: полгода мы живем при преобладании темного времени суток, затем наступает период белых ночей. В таких условиях баланс сбивается и выработка мелатонина нарушается.

— Для поддержания гормона в норме необходимо соблюдать несколько несложных правил: ложиться спать до 24.00, так как пик выработки мелатонина приходится на 2 — 3 часа ночи, а детям ложиться спать не позже 22.00, так как они еще и растут, и время для отдыха и восстановления нужно больше. Обязательно в спальне делать полное затемнение, использовать плотные шторы блэкаут и исключить световые индикаторы, которые часто бывают на выключателях, телевизорах, электронных часах, кроме индикаторов красного спектра, они не подавляют синтез мелатонина. От привычки спать со светом необходимо избавляться, — советует

Елена Луговая.

Также поддерживать нормальную работу организма можно искусственно, употребляя мелатонин в таблетированной форме. Препараты мелатонина абсолютно безопасны, не являются снотворным и свободно продаются в аптеках с инструкцией по применению. Есть еще один современный способ наладить работу эпифиза — употреблять пептидные биорегуляторы. Это короткоцепочечные белковые молекулы, тканеспецифические, которые действуют только на клетки данного органа, стимулируя их естественную работу.

Какой солнцезащитный крем подобрать для себя

Фото с сайта tlspa.com


Выбирать крем стоит по нескольким критериям:

1. По составу.

Солнцезащитные кремы работают за счет мощных солнцезащитных экранов, которые бывают двух типов:

  • физические или органические (отражают ультрафиолет, как зеркало),
  • химические или неорганические (не отражают ультрафиолетовые лучи, а впитывают и трансформируют их).

2. По типу кожи.

Правило простое — чем светлее кожа, тем сильнее должна быть защита.

3. По степени защиты.

  • SPF 15 — низкая степень защиты, блокирует 93 % UVB-лучей, подходит для очень темной кожи.
  • SPF 15 — 30 — средняя степень защиты, нейтрализует до 97 % UVB-лучей, нужна тем, кто практически не обгорает. Следует аккуратно использовать под палящим солнцем в горах, у океана и на экваторе.
  • SPF 30 — 50 — высокая степень защиты, оберегает обладателей светлой кожи, веснушек и потенциальных жертв солнечных ожогов от 98 % UVB-лучей.

Знаете ли вы


Витамин D был открыт в 1922 году Эльмером Макколлумом.

Он поставил эксперимент с порцией рыбьего жира, где витамин A был нейтрализован. Собаки, которым он давал этот продукт, благополучно излечились от рахита. Так было доказано, что за излечение от рахита отвечает не витамин A, а другой, неизвестный витамин, который впоследствии назвали четвертой буквой латинского алфавита — D, поскольку это был четвертый витамин, открытый наукой.

Витамин D синтезируется в коже человека под действием ультрафиолетовых лучей солнечного света, а также поступает в организм с пищей.

Главное назначение витамина D — обеспечение всасывания кальция и фосфора из пищи в тонком кишечнике. Согласно ряду клинических исследований хронический дефицит витамина D у детей раннего возраста связан с высоким риском развития у них в будущем сахарного диабета, ожирения, аутоиммунных, онкологических, сердечно-сосудистых заболеваний, псориаза, атопических заболеваний и воспалительных заболеваний кишечника. Избыток витамина D может вызвать нарушения метаболизма кальция, приводящие к гиперкальциемии и гиперкальциурии.

Помните, главными источниками витамина D являются ультрафиолетовые лучи, жирные сорта рыбы и рыбий жир, сливочное масло, сыр и другие жирные молочные продукты, яичный желток, лесные лисички и некоторые другие виды грибов, а также дрожжи.

Бди!


Для каждого типа кожи свои правила загара.
  • Например, существует кельтский тип кожи. К нему относятся обладателей бледной кожи с легким розовым оттенком, часто покрытой веснушками. В основном они имеют светлый или рыжий цвет волос и голубые или зеленые глаза. На солнце представители этого типа довольно быстро обгорают, и кожа начинает шелушиться. Для людей данного типа будет вполне достаточно 5 — 10 минут нахождения на солнце для получения легкого загара.
  • Нордический тип кожи. К нему относятся обладатели русых волос, зеленых или голубых глаз и светлой кожи. Люди этого типа загорают плохо, нередко обгорают. Однако кожа способна к интенсивной выработке меланина — время пребывания на солнце или в солярии нужно постепенно увеличивать. Время для загара не должно превышать 10 минут.
  • К среднеевропейскому типу относятся люди с темно-русыми, каштановыми волосами, карими глазами и довольно смуглой кожей. Загорают легко, но есть вероятность получения ожога при длительном пребывании на солнце. Достаточно 10 — 12 минут для оптимального загара.
  • Средиземноморский тип — это смуглая кожа, черные или каштановые волосы, темные глаза. Люди, относящиеся к нему, на солнце загорают легко и ожоги получают крайне редко. Для безопасного загара достаточно 15 минут.
  • Индонезийский или средне-восточный тип кожи. Обладатели этого типа в России встречаются редко. Характерные черты: очень смуглая, коричневая кожа, темные глаза и темные волосы. Им легко удается получить равномерный и глубокий темный загар. Они прекрасно загорают на солнце и противопоказаний к сеансам в солярии практически не имеют.
  • Представителей афроамериканского типа кожи отличают черные волосы, черные глаза и очень темная от природы кожа. Они не получат солнечного ожога даже при постоянном нахождении на солнце. Дополнительных средств защиты им не требуется. Единственный совет — использование хорошего питательного масла, увлажняющего крема или лосьона для тела.

Важно, что каждый из перечисленных фототипов реагирует на ультрафиолетовое излучение по-разному. Это стоит учитывать во время пребывания на солнце или сеансов загара. Главное помнить, что ни загаром на солнце, ни походами в солярий злоупотреблять нельзя.

Ульяна МАХИНА.

мелазма, хлоазма, лентиго, меланодермия, поствоспалительная гиперпигментация

Гиперпигментация – это появление на кожном покрове пятен или полос более темного цвета. Меланоз кожи, как еще называют повышенную пигментацию, развивается незаметно и, как правило, не вызывает физического дискомфорта, боли, зуда. Появляющиеся кожные дефекты располагаются на разных участках тела, лица неравномерно. Они могут быть разной формы и различного оттенка.

В большинстве случаев патология носит доброкачественный характер и не несет прямой угрозы для здоровья. И главная проблема заболевания – эстетическая непривлекательность. Избыточная пигментация на лице и теле часто воспринимается как косметический дефект. Пятна привлекают внимание окружающих, становятся причиной насмешек. Человек испытывает психологический дискомфорт, страх общения. Снижается социальная активность, развивается замкнутость. Однако, это не единственная причина, чтобы начать лечение патологии.

Болезнь меланоз при неблагоприятных факторах может привести к развитию злокачественной меланомы – агрессивного рака кожи. А еще внезапное появление чрезмерной пигментации кожи может быть прямым указателем на серьезное заболевание внутренних органов или систем организма.

Что такое гиперпигментация?

Причина гиперпигментации в нарушении работы клеток, вырабатывающих пигмент меланин. Когда его в отдельных зонах кожного покрова слишком много, на теле, лице появляются полосы и пятна темного цвета. При этом цвет аномальных проявлений может варьироваться от светло-бежевого до черного оттенка. Это природа меланоза. Осталось разобраться в причинах, которые вызывают такую аномалию.

Гиперпигментация кожи: причины

Как уже отмечалось, причина заболевания кроется в скоплении меланина в отдельных участках кожи.

  • Чаще всего, выработка пигмента является ответной реакцией организма на избыточное солнечное излучение. Клетки меланоциты вырабатывают пигмент, чтобы защитить кожу от разрушения. Меланин – мощный антиоксидант. Он нейтрализует солнечную радиацию. При чрезмерном солнечном облучении меланоциты работают в усиленном режиме, производят больше пигмента, чем обычно. Так образуется меланиновая гиперпигментация.
  • Спровоцировать выработку повышенного объема меланина может гормональный сбой. Гормональные колебания часто вызывают развитие таких видов гиперпигментации, как меланодермия и возрастная гиперпигментация. Так женские гормоны провоцируют выброс меланина во время беременности. У женщин появляются пигментные круги вокруг глаз. Многие дерматологи наблюдают появление пигментных пятен на лице, теле женщин старшего возраста в период наступления менопаузы. Патологию называют старческой гиперпигментацией.
  • Появление пятен на коже может являться симптомом ряда заболеваний. К примеру, пигментацию вызывают аутоиммунные болезни. Провоцируют развитие патологии сбои в работе желудочно-кишечного тракта, эндокринной системы, авитаминоз.
  • Еще одна причина повышенной выработки меланина – прием ряда препаратов, побочным действием которых является повышение светочувствительности.
  • Часто родинки и пятнышки появляются на коже на месте прыщей. В этом случае развивается поствоспалительная гиперпигментация кожи. Ярким примером этого является постакне (потемнение кожи после акне). На месте угрей не только происходит рубцевание кожи, но и развивается гиперпигментация. У детей на месте ссадин на ногах также могут появиться темные пятна.
  • Наследственный фактор также имеет место быть в списке причин развития гиперпигментации. Например, веснушки у детей. Ребенок на генном уровне получает предрасположенность к избыточному производству и неравномерному накоплению меланина на щеках, носу, под глазами, на спине, на руках.
  • Следует упомянуть, что стрессы также могут стать причиной нарушения обменных процессов. Это может привести к избыточной выработке меланина.

Не важно, какая причина появления пигментных пятен и полос на коже. Чтобы исключить серьезные заболевания, в том числе онкологию, рекомендуется получить консультацию врача-дерматолога.

Записаться на прием к дерматологу

Приглашаем всех желающих пройти обследование в специализированной медицинском центре диагностики родинок «Лазерсвіт». Использование современных методов диагностики позволяет выявить даже начальные мутации кожного покрова и предупредить онкологию.

Гиперпигментация: виды

Гиперпигментация классифицируется по различным критериям. Заболевание бывает наследственным и приобретенным. Наследственная патология – это то, с чем человек рождается, даже если визуальное проявление чрезмерной пигментации кожи проявилось не сразу.

К примеру, те же веснушки – это наследственная гиперпигментация. Они ярко проявляются к трем годам жизни малыша. Весной и летом пятнышки проявляются сильнее, но и зимой они видны, не исчезают полностью.

Приобретенная пигментация встречается чаще. Как уже говорилось, она может быть защитной реакцией организма на агрессивные внешние факторы. А может быть симптомом серьезного внутреннего заболевания.

Виды вторичных гиперпигментаций

1. Хлоазма – это усиленная пигментация, проявляющаяся пятнами неправильной формы, но с четкими границами. Размер проявлений, как правило, превышает 1 см в диаметре. Пигментация имеет светло-коричневый или коричневый цвет, оттенок крепкого кофе. Появляется хлоазма на лице и теле. Часто диагностируется заболевание у женщин во время беременности. У них гиперпигментация этого вида появляется на животе. Образование с низким онкологическим риском. Его лечение рекомендовано с косметическими целями.

2. Лентиго – это повышенная пигментация кожи, проявляющаяся появлением округлых коричневых пятен с четкими границами. Новообразования этого вида доброкачественные, но могут существенно осложнить жизнь из-за снижения привлекательности внешности. Лечение лентиго на лице – популярная услуга, за которой обращаются в наш центр. При этом не важно, это врожденная форма патологии, приобретенное солнечное лентиго или гиперпигментация, вызванная возрастными изменениями.

3. Меланоз (меланодермия) развивается из-за гормональных сбоев, эндокринных нарушений. При меланозе избыточный пигмент откладывается на коже век, в области надбровья, на коже лба, в области ушей. Реже диагностируют меланоз конъюнктивы глазного яблока.

4. Мелазма – это повышенная пигментация кожи, вызванная чрезмерным солнечным облучением. Чаще всего темные пятна появляются на участках, открытых для воздействия солнца – на лице, шее, руках. Реже скопление меланина при этом виде гиперпигментации наблюдается на ногах, спине. Избавляются от мелазмы на лице и шее чаще всего с точки зрения повышения эстетической привлекательности.

5. Посттравматическая гиперпигментация появляется на любых участках кожи как результат затяжного воспалительного процесса, частого травмирования одного и того же участка. В этом случае пигмент накапливается в эпидермальных и дермальных тканях.

Есть еще один параметр, по которому гиперпигментацию обязательно классифицируют врачи дерматологи. Речь идет про глубину залегания пигмента. По этой характеристике бывает:

  • Эпидермальная (простая) гиперпигментация, к примеру, поверхностная хлоазма.
  • Дермальная гиперпигментация, особенность которой в глубоком залегании пигмента, к примеру, дермальная мелазма.
  • Смешанная форма избыточной пигментации кожи, при которой меланин сосредоточен как в дермальных, так и в эпидермальных тканях.

Диагностика и четкая классификация гиперпигментации крайне важна, так как позволяет выбрать оптимальный метод, направленный на избавление от цветных пятен.

Как лечить гиперпигментацию?

Удаление пигментных пятен сегодня проводится несколькими способами:

  • Химический пилинг предусматривает использование агрессивных кислотных растворов, которые приводят к удалению поверхностных кожных слоев. По сути, выполняется химический ожог кожи, за счет чего часть ее отслоился, освобождая место для равномерно пигментированной кожи. Процедура травматичная, опасная и требует длительного реабилитационного периода. Кроме того, такой метод подходит только при поверхностной гиперпигментации. Если меланин скопился в глубоких тканях, химический пилинг не поможет.
  • Фототерапия – популярный метод, суть которого заключается в воздействии на пигментированную кожу световыми волнами без ультрафиолетовых лучей. За счет такого воздействия меланин разрушается, цвет кожи выравнивается.
  • Склеротерапия – метод лечения пигментных пятен за счет введения в кровоток медикаментозных средств, разрушающих меланин. Этот метод показал высокую эффективность при лечении винных пятен (сосудистых патологий, вызывающих появление на коже красных пятен). Однако для лечения чрезмерной пигментации он не самый эффективный.
  • Лазерная терапия оказывает тот же эффект, что и фототерапия, но более выраженный, продуктивный. Процедура предусматривает «выжигание» пигментированных участков кожи высокоэнергетическим лучом. Дерматолог выставляет интенсивность, глубину воздействия лазерного импульса, поэтому соседние здоровые ткани не подвергаются негативному воздействию. Процедура может проводиться как на поверхностном слое кожи, так и на дерме. Процедура проводится без крови, безболезненно и без негативных последствий для кожного покрова. Положительный эффект заметен даже после одного сеанса. В некоторых случаях проводят несколько процедур, чтобы убрать глубокое пигментное пятно полностью.

Профессионально проведенные дерматологические процедуры позволяют полностью или частично удалить пигментные пятна. Оптимальный метод выбирает врач на основании анамнеза и индивидуальных особенностей конкретного пациента. Рекомендованным остается лазерный способ лечения гиперпигментации, так как он предусматривает щадящее воздействие и высокий результат.

Категорически не рекомендуется использовать народные средства и удалять пигментные пятна сомнительными способами в домашних условиях. Это может привести к серьезным осложнениям – ожогу кожи, повреждению целостности кожного покрова, присоединению вторичной инфекции.

Обращайтесь в специализированную клинику «Лазерсвіт», если у вас появились пигментные пятна. Мы не просто проведем диагностику, чтобы исключить риск перерождения, но и проведем эффективное лечение, чтобы побороть гиперпигментацию.

Лазерный метод, используемый в нашей клинике, имеет минимум противопоказаний, может применяться в любом возрасте (в том числе в младенчестве). Будем рады ответить на любые вопросы по теме «Гиперпигментация» на очной консультации. Записаться на прием к врачу вы можете по телефону на удобное для вас время.

Пигментные пятна, уродующие внешность, это больше не приговор. За несколько процедур они исчезнут без следа!

Борьба с пигментацией | SPA салон «Венеция»

Борьба с пигментацией не простая задача, но вполне решаемая. Нужно только запастись терпением и верой в успех, ведь существует очень много способов, которые обязательно помогут решению проблемы и, глядя в зеркало на результат, вы обязательно улыбнётесь.

Тёмные пигментные пятна часто сигнализируют нам, что внутри организма произошёл сбой, и поэтому стал бессистемно производиться меланин, пигмент, отвечающий за цвет кожи. К причинам можно отнести беременность, заболевания яичников, различные гормональные скачки, проблемы с желудком, печенью и другими органами, последствия травм и применение некоторых лекарственных препаратов.

Но, самые известные и агрессивные провокаторы появления пигментации, – ультрафиолетовые лучи, которые в избытке получают любители загара.

Откуда берутся пигментные пятна

Наша кожа имеет три основных слоя: эпидермис – наружный, дерма – средний, гиподерма – подкожная клетчатка. Меланоциты – определённые клетки дермы, которые производят пигмент меланин, отвечающий за цвет кожи. В здоровом организме частички меланина расположены равномерно по всему эпидермису, но, в результате воздействия вышеперечисленных причин, меланина вырабатывается больше и, как следствие, возникает гиперпигментация – пигментные пятна.

Как бороться с пигментацией

Пигментация поддается лечению и с ней можно бороться, используя косметические средства и методы. Но, чтобы точно знать, насколько успешной будет борьба, нужно обратиться к специалистам, для определения глубины залегания пигмента меланина.

Существует несколько способов коррекции пигментации:

Во-первых это пилинги, при которых используются различные виды кислот. Процедура проводится для стимуляции, омоложения, удаления дефектов, в том и выравнивания структуры кожи.

Во-вторых это мезотерапия, например, препаратом Dermaheal SB, состоящим из 56 активных инградиентов, включающих комплекс биомиметических пептидов, Витамин С, Арбутин и растительный экстракт. Он подавляет синтез меланина, тем самым снижая пигментацию кожи, количество возрастных пятен и веснушек.

В-третьих, коррекция гиперпигментации на аппарате Omnimax

Все больше людей, желающих избавиться от пигментных пятен, выбирают технологию светового импульса (IPL). Импульсный свет безопасно, надежно и быстро работает с поверхностными пигментными пятнами, дисхромией (нарушением пигментации кожи), солнечным лентиго и мелазмой. IPL процедура не требует реабилитационного периода, поэтому после косметологических процедур удаления пигментаций и сосудов на лице Вы можете незамедлительно вернуться к своим повседневным делам.

*В случае необходимости можно совмещать и комбинировать методики.

Не дайте украсть свой сон

Мелатонин называют гормоном сна и долгой жизни. Удивительно: вещество, открытое почти 60 лет назад, до сих пор остается предметом научных дискуссий, его свойства и влияние на организм до конца не изучены, а потому обрастают множеством мифов.

Мелатонин вырабатывается в эпифезе — шишковидной железе. Эта часть головного мозга в среднем за сутки вырабатывает до 30 микрограммов гормона сна, выполняющего множество функций: он защищает нас от стрессов, преждевременного старения, депрессий и даже от раковых заболеваний. Свое второе название мелатонин получил не случайно: он действительно является нашими внутренними часами, благодаря которым ночью хочется спать, а утром — просыпаться. Именно в темное время суток вырабатывается практически весь суточный запас этого гормона. На пик процесс выходит к полуночи и продолжается приблизительно до 4 утра. Замечали, как постепенно с вечера и все ближе к ночи нас одолевает дремота и начинает клонить в сон? Это в организме начинается синтез мелатонина, который обеспечивает засыпание, регулирует продолжительность сна и его качество. Потому мы так остро ощущаем на себе смену часовых поясов: сбиваются наши внутренние часы, организм пытается подстроиться к новому времени дня и ночи. Оттого и нарушаются ритмы выработки мелатонина, а мы ощущаем проблемы со сном, настроением и аппетитом.

— Мелатонин по праву можно называть гормоном современности, — считает профессор кафедры эндокринологии БГМУ, доктор медицинских наук Алла Шепелькевич.

— Ведь раньше человек жил в большей взаимосвязи с природой, подчиняясь ее ритмам: ложился спать, когда стемнеет, вставал с первым солнцем. Сегодня эти механизмы стали нарушаться, в том числе из–за перелетов, стрессов, работы в ночное время суток. А ведь уже давно доказано, что такой образ жизни очень сказывается на здоровье человека, способствуя развитию сердечных патологий, онкозаболеваний, сахарного диабета…

Ведь неспроста же говорят, что сон — лучшее лекарство. Выспавшийся и отдохнувший человек всегда чувствует себя здоровее. Пока мы спим, мелатонин, подобно ремонтной бригаде, по кирпичику укрепляет наш организм, лечит все поломки и восстанавливает силы. В этот момент активируются антиоксидантные и иммуномоделирующие свойства гормона сна. Он препятствует выработке активных радикалов, а значит, защищает нас от старения, рака и сердечных заболеваний. К слову, уровень мелатонина оказывает влияние и на снижение гормонов стресса.

Многие свойства мелатонина пока еще пристально изучаются наукой. К примеру, не до конца понятны его противоопухолевые механизмы. Но уже точно известно, что такими свойствами гормон сна безусловно обладает. Ученые заметили: у женщин, работающих в ночные смены, риск онкопатологий возрастает на 40 — 60%. Весьма показательны эксперименты на животных. Скажем, когда мышам искусственно увеличили длину светлого времени суток, их продолжительность жизни сократилась в среднем на 20%… Также замечено, что мелатонин сказывается не только на суточных ритмах, но и на реакции организма на смену времен года. Стоит увеличиться солнечному свету и долготе дня, как снижается и уровень мелатонина. Тогда многие млекопитающие, ведущие дневной образ жизни, приступают к поиску партнеров. Подобную закономерность ученые выявили и у людей: половое влечение в короткие дни года значительно ниже, чем в длинные. Необходим мелатонин и для нормального протекания беременности. Именно благодаря его помощи регулируется обновление клеток плаценты.



Примерно к 20 годам синтез мелатонина в организме нормализуется, а уже около 40 — начинает снижаться. С возрастом ослабевает иммунная функция, нарушается сон. И нехватка мелатонина — одна из причин. Однако заниматься самолечением и бросаться на поиски гормона сна не стоит. Даже ученые не могут посоветовать ничего лучшего, чем просто соблюдать нормы физиологии, заложенные природой. Проще говоря, прислушиваться к своим биологическим часам, не путая день с ночью. И обязательно следовать универсальной схеме распорядка дня, где 8 часов должно отводиться на работу, 8 — на отдых и столько же — на сон.

Секреты хорошего сна


Организму будет привычнее засыпать и просыпаться в одно и то же время — соблюдайте режим дня. 

То, как прошел ваш день, обязательно скажется на сне. Хорошо влияют на него прогулки на свежем воздухе, расслабляющие ванны, чай с ромашкой. 

Спать надо при выключенном свете, с задернутыми шторами. Не засыпайте под телевизор и не злоупотребляйте кофе — так вы не сможете быстро успокоиться и уснуть.

Старайтесь лечь спать не позже полуночи. Ведь именно на это время приходится пик выработки мелатонина. Если вы все же засиделись допоздна, то комнату лучше освещать не очень яркой настольной лампой.

Кстати

Во многих продуктах также содержится мелатонин. Есть он в незначительных дозах в бананах, какао, мясе индейки, бобовых и соевых. Однако если даже усиленно налегать на них, восполнить серьезную нехватку мелатонина вряд ли удастся: основные его запасы производятся самим организмом ночью во время сна.

Ольга Савицкая
Советская Белоруссия, 19 января 2017

Что нужно знать о пигментации кожи


 

КОСМЕТИКА, ОСВЕТЛЯЮЩАЯ ПИГМЕНТАЦИЮ

Принимая во внимание нейрогенную природу меланоцитов, активность которых зависит от огромного количества взаимосвязанных факторов, необходимо очень серьезно подходить к выбору косметических средств, направленных на осветление пигментации, в идеале – по консультации с профильным доктором – дерматокосметологом или дерматологом.

Как правило, примерная стратегия по осветлению пигментации выглядит так:

отшелушивание кожи – домашние и/или салонные пилинги – обеспечивают слущивание верхних частиц кожи, нагруженных меланином и постепенное клеточное обновление; 

использование косметики с осветляющими компонентами. Как правило, обычно подбираются комбинации различных компоненов, так как одного, даже самого эффективного ингредиента, бывает недостаточно для избавления от пигментации;

лазерное/IPL воздействие (по необходимости).

Рассмотрим самые часто встречающиеся в косметике ингредиенты, направленные на осветление пигментации:

Гидрохинон – самый эффективный, но при достаточно агрессивный компонент, блокирующий синтез меланина. Подбирать косметику с ним и концентрацию (0,5% — 2%, реже 4%) должен назначать врач, поскольку гидрохинон проникает в кровоток и может вызвать дерматит или поствоспалительную гиперпигментацию, запрещен беременным и кормящим женщина. Использовать косметику с гидрохиноном рекомендуют не более двух лет подряд, причем если в первые полгода применения не отмечается никаких улучшений, следует ее отменить.

Арбутин – естественный источник гидрохинона, содержится в листьях толокнянки, подавляет активность тирозиназы — фермента, ответственного за пигментацию кожи без сильного токсичного воздействия на клетки кожи, однако может не подойти людям с чувствительной кожей.

Койевая кислота – побочный продукт, получаемый при ферментации солодового риса. Отлично работает с таким типом пигментации как мелазма, при этом обладает также антиоксидантным действием. Обычно подходит для чувствительной кожи, но может быть потенциально аллергенна.

Аскорбиновая кислота – сильный антиоксидант, способный тормозить синтез меланина, эффективен для осветления веснушек, постакне, а также улучшения внешнего вида стареющий кожи с пигментацией.

Азелаиновая кислота – органическое соединение, естественным образом присутствующее в таких злаках как ячмень, пшеница, рожь. Помимо отбеливающих пигментацию свойств, обладает противовоспалительной, антибактериальной и антиоксидантной активностью.

Ретиноиды – положительно влияют на клеточное обновление, имеют иммуномодулирующее и противовоспалительное действие, нарушают процесс передачи пигмента клеткам кожи, ингибируют тирозиназу.

 

Чудо или миф? (Исследование мелатонина) | Арендт

Сегодня о мелатонине говорят, пожалуй, больше, чем о любом другом гормоне. Его считают чуть ли не панацеей от всех болезней, источником молодости; по объему продаж в США он в настоящее время конкурирует с витамином С и аспирином. К сожалению, роль мелатонина чрезмерно преувеличена, и претензии в значительной степени необоснованы или подкрепляются лишь данными, полученными в опытах на животных [1, 2]. Для уточнения механизма действия этого гормона и его взаимосвязи с физиологической хронобиологией необходимо провести гораздо больше исследований. В частности, еще предстоит определить наиболее оптимальные время назначения и дозировку мелатонина для людей, позволяющие добиться максимального воздействия этого препарата на циркадный ритм человека и на множество функций, зависимых от него.

Мелатонин (ТЧ-ацетил-5-метокситриптамин) был открыт Ароном Лернером с сотрудниками в 1958 г. В то время группа Лернера была занята поисками в шишковидной железе фактора, осветляющего кожу [3]. Для получения нескольких микрограммов чистого материала было обработано много тысяч желез. Мелатонин оказался самым мощным из факторов, когда-либо исследованных на культурах клеток пигментированной кожи лягушек. Во избежание неправильного понимания хотелось бы пояснить, что, хотя меланофоры низших позвоночных чувствительны к мелатонину, они отличаются от пигментных клеток млекопитающих, и практически нет доказательств какой-либо осветляющей кожу активности у людей.

Мелатонин является основным гормоном, секретируемым шишковидной железой — крошечным органом, расположенным в промежуточном мозге и соединенным со светочувствительной системой у млекопитающих. У всех исследованных к настоящему времени видов мелатонин в норме синтезируется и высвобождается во время темной фазы суток. Таким образом, имеется очевидная связь со сном у видов, ведущих дневной образ жизни, таких, какими являются люди. Однако у ночных грызунов самые высокие уровни мелатонина наблюдаются в период их активности.

Поскольку мелатонин вырабатывается в темное время суток, его содержание отражает продолжительность ночи (а следовательно, и продолжительность дня). Его первичной физиологической функцией является доведение информации, касающейся суточного прохождения времени, до уровня жизнедеятельности организма. Длительная продолжительность секреции мелатонина свидетельствует о длинных ночах, а короткая — о коротких. Суточный ритм освещения (фотопериод) и меняющаяся продолжительность дня являются нашими самыми точными ориентирами времени, связанными с окружающей средой. Они лежат в основе организации физиологических и поведенческих функций, которые реагируют на изменения сезонных и циркадных (т. е. суточных) ритмов, таких как сон, бодрствование и внутренняя температура. У человека функции, на которые влияет продолжительность дня и интенсивность света, скорее всего изменяются под воздействием мелатонина. Именно потому, что мелатонин влияет на множество систем организма, можно говорить о потенциальной опасности недифференцированного применения гормона в качестве универсальной панацеи.

Ритм секреции мелатонина генерируется эндогенно

Мелатонин синтезируется из триптофана посредством ацетилирования и последующего О-метилирования серотонина. В организме человека практически весь циркулирующий мелатонин выделяется из шишковидной железы. Небольшое его количество синтезируется в других участках, таких как сетчатка, которая в последнее время привлекает все большее внимание ученых. С другой стороны, секрецию мелатонина можно подавить с помощью p-адренергических антагонистов.

Ежедневный ритм секреции генерируется в головном мозге и в отсутствие ориентиров времени сохраняет свою периодичность в диапазоне около 24 ч, что характерно для истинного циркадного ритма. Достаточно яркий свет синхронизирует ритм до 24 ч и в то же время подавляет выработку мелатонина ночью, устанавливая таким образом специфическую продолжительность его секреции в соответствии с продолжительностью дня [3]. На основе этого наблюдения была сделана попытка лечить ярким светом зимнюю депрессию, хотя, как ни странно, нет убедительных доказательств, свидетельствующих о причастности мелатонина к возникновению этого расстройства.

Когда циклическая смена света/темноты и других ориентиров времени ускоряется или замедляется (например, после перелета через временные пояса или при сменной работе), циркадная система медленно адаптируется к новому положению фаз. В процессе адаптации эндогенные ритмы не совпадают по фазе с внешней окружающей средой и иногда — друг с другом. Считается, что это вызывает многие заболевания и функциональные расстройства у сменных рабочих и путешественников, перелетающих через временные пояса. Кроме того, нарушение циркадных ритмов характерно для слепых, лиц пожилого возраста и некоторых психически больных.

Физиологические количества мелатонина оказывают воздействие на синхронизацию репродуктивных функций у видов, зависимых от дневного света [3]. Например, у зародышей и новорожденных млекопитающих этот гормон помогает запрограммировать циркадную систему и определяет время начала и окончания стадий развития организма, особенно полового созревания. С другой стороны, хотя у европейцев действительно наблюдается колебание частоты зачатий (наивысшее увеличение весной и небольшой всплеск осенью), его зависимость от уровня содержания мелатонина не выяснена. Мелатонин оказывает в основном подавляющее воздействие на репродуктивную функцию человека, и путем введения достаточно высокой дозы (80—300 мг в день) можно частично подавить пик лютеинизирующего гормона. Мелатонин был исследован в качестве противозачаточного средства в комбинации с минитаблеткой прогестина [4]. Однако если учесть, что гораздо более низкие дозы (< 10 мг) оказывают сильное влияние на ритмические функции организма, использование этих больших количеств потенциально опасно.

Было доказано, что мелатонин и шишковидная железа не играют существенной роли в поддержании циркадных ритмов у млекопитающих в нормальной окружающей среде, однако введение мелатонина в определенное время действительно сдвигает циркадные ритмы [3]. Первым человеком, испытавшим на себе действие нового гормона, был сам Арон Лернер. В 1960-е годы некоторые пациенты участвовали в исследовании последствий приема больших доз мелатонина (до 1,5 г), которые вызвали у них сонливость и спазмы мышц живота [3].

Мелатонин в низких дозах оказывает на человека внезапное легкое ’’снотворное” воздействие и вызывает изменения электроэнцефалограммы, аналогичные, но не идентичные изменениям, вызываемые бензодиазепинами [5, 6]. Предполагалось, что очень низкие, «физиологические” дозы мелатонина (0,3 мг) благотворно влияют на сон, но поступавшие сообщения были противоречивы, и в некоторых случаях отмечалось нарушение сна [7].

При приеме в спокойной обстановке, в затемненном помещении мелатонин в дозе 1 — 10 мг быстро снимает напряжение, вызывает сонливость, затормаживает некоторые функции и снижает температуру тела в зависимости от дозы [8]. Вечерний прием провоцирует фазовое ускорение циркадных ритмов, а утренний может вызвать фазовое замедление [3]. Яркий свет и мелатонин оказывают сильное, но противоположно направленное воздействие на внутреннюю температуру тела. На основе этих, а также ряда других наблюдений была создана теория, согласно которой вызываемый мелатонином циркадный фазовый сдвиг и сонливость опосредованы изменениями внутренней темпратуры.

Представляется, что благодаря этим свойствам мелатонин, вводимый в подходящем режиме, является перспективным способом лечения нарушений циркадных ритмов. Можно будет также оказывать помощь при таких состояниях, как бессонница пожилых людей (возможно, связанная со снижающейся выработкой мелатонина), затрудненное засыпание и раннее пробуждение. У многих горожан нередко отсутствуют четкие временные ориентиры, а среди людей, проживающих в умеренной и полярной зонах, наблюдается сильная тенденция к замедлению ритма циркадной системы зимой (в условиях недостаточного освещения). Мелатонин может широко использоваться для ’’синхронизации” желаемого времени сна с внешней циркадной фазой. Факты коррекции фазового замедления в зимнее время могут служить объяснением всех разрозненных сообщений об «улучшении самочувствия и сна при лечении мелатонином”.

Нарушение циркадного ритма при перелете через временные пояса и сменной работе

Когда вы летите в восточном направлении, вам необходимо ускорить циркадные ритмы, а путешествуя на запад — замедлить их. Однако индивидуальное время начала лечения, предназначенного для ускорения или замедления хода биологических часов, может быть определено только тогда, когда известно положение циркадной фазы человека. По этой причине очень трудно лечить пилотов сверхдальних рейсов, которые постоянно пересекают временные пояса. Обычные путешественники с успехом используют мелатонин для облегчения состояния, вызванного нарушением циркадных ритмов при перелете через временные пояса. Исследования показывают, что самостоятельная оценка в баллах действительных нарушений циркадных ритмов при перелете через временные пояса может быть снижена в среднем на 50%. В то же время в имитационных исследованиях наблюдалось субъективное улучшение сна, активности, настроения и работоспособности (сообщения о воздействии на сон были довольно противоречивыми) [3, 8].

Имеется очень мало опубликованных работ об использовании мелатонина сменными рабочими. Любые воздействия этого препарата на работоспособность человека требуют тщательного изучения. Например, не всегда желательна адаптация циркадной системы при быстром чередовании смен, поскольку нарушаются сон и активность в дни отдыха. В этих случаях острые эффекты мелатонина могут быть более полезны, чем его способность сдвигать циркадные фазы. В двух отчетах о полевых исследованиях сообщалось об улучшении сна и некоторой адаптации циркадных ритмов [8].

Нарушения сна

Некоторые слепые люди, ведущие в целом нормальную жизнь, страдают от нарушения ритма сна и бодрствования. В недавно проведенном исследовании 58% обследованных жаловались на расстройство сна [9]. Когда их биологические часы не совпадают по фазе с окружающей средой, у них периодически возникают нарушения, в частности они испытывают сонливость и снижение работоспособности в дневное время и плохо спят ночью. Многие переносят это состояние очень тяжело. До настоящего времени обследовано лишь небольшое число лиц, но на большинство из них введение мелатонина оказало некоторое благоприятное воздействие, которое заключалось главным образом в стабилизации засыпания. Кроме того, хорошие результаты дало лечение мелатонином детей с множественными расстройствами, преимущественно старадающих нарушениями зрения, поведения и сна [3, 8].

Вечерний прием мелатонина (5 мг) ускоряет время наступления сна у пациентов с синдромом задержки фазы сна, которые не могут заснуть до раннего утра [3]. В ряде предварительных сообщений описаны случаи улучшения сна у лиц пожилого возраста, что было отнесено на счет влияния замещения низкоамплитудного мелатонина его более ’’юношескими” концентрациями [10]. Представляется, что это, по крайней мере частично, можно объяснить оптимизацией циркадных зависимостей путем усиления стимулов во время пробуждения. Небезуспешными были попытки применения высоких фармакологических доз мелатонина при лечении ’’хронической бессонницы”.

Иммунная функция, «тушение» свободных радикалов и рак

Шумиха, поднятая в последнее время вокруг мелатонина, была связана с его возможностями в плане предотвращения рака и старения [1—3]. Сообщалось, что этот гормон подавляет рост ряда экспериментально вызванных опухолей и клеточных линий in vitro. Однако далеко не во всех исследованиях были получены положительные результаты; например, в определенные фотопериоды мелатонин стимулировал рост меланомы у хомяков. Фармакологические дозы мелатонина могут оказывать стимулирующее воздействие на некоторые элементы иммунной системы. Некоторый оптимизм внушают предварительные результаты комбинированного применения мелатонина и тамоксифена или интерлейкина. Полностью отсутствуют данные о возможном использовании мелатонина при лечении СПИДа.

В ряде работ сообщалось об антиоксидантной функции мелатонина [1—3]. Утверждалось, что он представляет собой самый мощный известный нейтрализатор гидроксильных ионов, который защищает ДНК и другие системы от окислительного повреждения. На сегодняшний день известно, что большие дозы мелатонина оказывают некоторое воздействие на животных, но данных о воздействии на людей нет. Более того, имеются серьезные доказательства того, что мелатонин (опятьтаки в больших дозах) может усиливать вызванное светом поражение сетчатки у крыс, предположительно вследствие прооксидантного воздействия.

Еще большие надежды возлагали на предполагаемую эффективность мелатонина в качестве средства против старения [1—3]. Основой этих представлений послужили опыты, проведенные с серьезными нарушениями на линиях мышей с генетической неспособностью вырабатывать мелатонин. Никаких данных о продлении молодости у людей не существует, и трудно представить, как можно провести какие-либо должным образом контролируемые испытания в этой области.

Планы на будущее и перспективы

Наряду с оптимизацией дозы, композиции и времени введения мелатонина необходима соответствующая оценка его безопасности. Такие проблемы, как продолжительность действия, взаимодействие с другими лекарственными препаратами, применение во время беременности и воздействие на половое созревание у людей, еще недостаточно изучены. При оральном введении мелатонин имеет очень короткий период полувыведения; наблюдаются также огромные индивидуальные различия его фармакокинетики [3]. Действительно, у одних людей имеются очень низкие естественные концентрации мелатонина, в то время как у других эти величины в 100 раз превышают нормальный уровень. Некоторые из уже обнаруженных противоречивых и разрушительных воздействий мелатонина могут быть обусловлены этой индивидуальной метаболической изменчивостью и(или) трудностями определения оптимального времени введения.

Существует вероятность того, что при неправильном определении времени введения мелатонина он может оказать неблагоприятное воздействие на многие системы, включая скорость неврологических процессов. Тем не менее мелатонин является одним из самых перспективных открытий последнего времени. Современные исследования включают разработку ряда аналогов, действие которых будет более стабильным. Помимо этого, было проведено клонирование рецепторов мелатонина, что открывает новые горизонты исследовательских возможностей и привлекает еще большее внимание к этому многогранному биологическому веществу.

1. ЛгелЛ J. // Brit. med. J. 1996. Vol. 312. P. 19961997.

2. Reppert S. A/., Weaver D. R. // Cell. 1995. Vol. 83. P. 1059-1062.

3. Arendt J. Melatonin and the Mammalian Pineal Gland. — London, 1994.

4. Cohen M., Josimovich J., Brzezinski A. Melatonin: from Contraception to Breast Cancer Prevention. — Potomac, 1995.

5. Cramer H., Rudolph J., Consbruch V. // Adv. Biochem. Psychopharmacol. — 1974. — Vol. 11. — P. 187—191.

6. Nave R., Herer P., Shlitner A., Lavie P. // J. Sleep Res. — 1997. — in press.

7. Middleton B., Stone B., Arendt J. // Lancet. — 1996. — Vol. 348. P. 551-552.

8. Arendt J., Deacon S., English J. et al. // J. Sleep Res. — 1995. — Vol. 4, Suppl. 2. P. 74-79.

9. Lockley S. W., Slene D. J., Tabandeh H. et al. // J. Biol. Rhythms. — 1997. — in press.

10. Haimov L., Lavie P., Landon M. et al. // Sleep. — 1995. — Vol. 18, Suppl. P. 98-103.


границ | Производство меланинов с помощью рекомбинантных микроорганизмов

Введение

Меланины составляют группу полимерных пигментов, широко встречающихся в природе (d’Ischia et al., 2015). Они являются результатом катализируемого ферментами окисления фенольных или индольных субстратов. Меланины считаются одними из самых древних пигментов, встречающихся в природе. Эти пигменты были обнаружены в окаменелостях птиц и динозавров (Zhang et al., 2010). Примечательно, что сохранившийся меланин был обнаружен в чернильных мешочках головоногих юрского периода (Glass et al., 2012). Таким образом, меланин предлагается в качестве биомаркера для изучения эволюции (Wogelius et al., 2011).

Основными типами меланина являются эумеланин, феомеланин, алломеланин и пиомеланин. Эумеланин является продуктом окисления аминокислоты L-тирозина и/или L-дигидроксифенилаланина (L-ДОФА). Полученный полимер имеет коричневый или черный цвет. Феомеланин образуется при окислении L-тирозина и/или L-ДОФА в присутствии L-цистеина, что приводит к образованию пигмента красно-желтого цвета.Алломеланины являются результатом окисления одного из следующих соединений: 4-гидроксифенилуксусной кислоты, катехолов, дигидроксинафталина (ДГН), γ-глутаминил-4-гидроксибензола или тетрагидроксинафталина, протокатехальдегида и кофейной кислоты. Пиомеланин представляет собой тип меланина, образующийся в результате окисления гомогентизиновой кислоты (ГГК) (рис. 1) (Lindgren et al., 2015).

Рисунок 1 . Биохимические реакции, приводящие к синтезу эумеланина, феомеланина, алломеланина и пиомеланина.

У людей и многих млекопитающих преобладающими пигментами кожи являются эумеланин и феомеланин. Пигментация кожи была предметом интереса с древних времен. Есть упоминания о заболеваниях, влияющих на цвет кожи, таких как витилиго, датируемых 2200 годом до нашей эры. Только в 1819 году в исследованиях на кальмарах были описаны пигментные клетки, называемые хроматофорами. Несколько лет спустя аналогичные структуры были обнаружены в коже и глазах человека. Термин меланин был впервые использован C.П. Робином в 1873 г. и позднее были идентифицированы специализированные клетки, ответственные за синтез меланина в коже, — меланоциты. Дальнейшие исследования в последующие годы установили наличие зерен меланина в меланоцитах и ​​процесс переноса этих структур в эпителиальные клетки (Westerhof, 2006).

Благодаря своему химическому составу меланины проявляют различные физико-химические свойства. Таким образом, эти полимеры могут действовать как поглотители ультрафиолетового излучения, рентгеновского и гамма-излучения, катионообменники и аморфные полупроводники (Sarna et al., 1976; делла-Чиоппа и др., 1990; Крол и Либлер, 1998 г.; Розановска и др., 1999; Амбрико и др., 2014). Также было показано, что меланины обладают антиоксидантной и противовирусной активностью (Montefiori and Zhou, 1991; Nofsinger et al., 2002). Различные применения и продукты, полученные из меланинов, зависят от получения этих полимеров по относительно низкой цене и в больших количествах. Меланины могут быть извлечены из тканей растений и животных или получены путем химического синтеза. Однако эти процессы относительно дороги и в некоторых случаях неустойчивы (Saini and Melo, 2015).Потенциально жизнеспособная альтернатива получению меланинов основана на культуре меланогенных микроорганизмов. Преимущество этого метода заключается в том, что он масштабируется и обеспечивает хороший выход меланинов. Этот подход можно улучшить, применяя методы генной инженерии для увеличения естественной меланогенной способности некоторых организмов или создания новых штаммов, продуцирующих меланин. Наиболее распространенная генетическая модификация для улучшения/получения продуктивного штамма включает экспрессию генов, кодирующих ферменты, участвующие в окислении предшественников меланина.

Ферменты, участвующие в образовании меланина

Зависимое от ферментов окисление фенольных или индольных соединений является первым этапом, ведущим к образованию меланинов. Меланогенные ферменты принадлежат в основном к семействам белков тирозиназы и лакказы. Тирозиназы являются наиболее распространенным типом ферментов, связанных с меланогенезом. Эти ферменты могут использовать в качестве субстратов как моно-, так и дифенольные соединения. Примерами этих субстратов являются L-тирозин, L-ДОФА и катехины. Тирозиназы представляют собой монооксигеназы с двухъядерным медным каталитическим центром.Эти ферменты катализируют орто-гидроксилирование монофенолов (крезолазная активность), а также окисление катехолов (катехолазная активность) с образованием орто-хиноновых продуктов (Garcia-Molina et al., 2007) (рис. 1). Фермент тирозиназа катализирует гидроксилирование L-тирозина в L-ДОФА с использованием молекулярного кислорода, а затем окисляет это соединение до дофахрома, который неферментативно полимеризуется с образованием меланина (Ito, 2003). По аминокислотной последовательности и функциональным особенностям микробные тирозиназы можно разделить на пять основных групп (Fairhead, Thöny-Meyer, 2012).Тирозиназа из Streptomyces sp. входит в одну из этих групп. Общим для них является потребность в белке-шапероне, который вставляет атомы меди в активный центр тирозиназы. Напротив, тирозиназы из бактерий, таких как Rhizobium etli, Bacillus megaterium и Bacillus thuringiensis , не требуют шаперона для введения меди в активный центр. Лакассы представляют собой еще одну группу ферментов, участвующих в меланогенезе. Эти ферменты не относятся к тирозиназам, но также являются медьзависимыми оксидоредуктазами.Лакказы были обнаружены у бактерий, грибов и растений (Valderrama et al., 2003). Фермент гидроксилаза 4-гидроксифенилуксусной кислоты (4-HPA) участвует в катаболизме 4-HPA у бактерий. Эта группа ферментов демонстрирует широкий спектр субстратов, они могут гидроксилировать различные одноатомные и двухатомные фенолы (Prieto et al., 1993). 4-HPA гидроксилаза представляет собой двухкомпонентную флавинадениндинуклеотидную (FAD)-зависимую монооксигеназу (Gibello et al., 1995).

Биологические функции меланинов

Меланины обнаружены у видов трех доменов жизни: архей, бактерий и эукариот.Эти пигменты выполняют разнообразные функции, связанные с выживанием многих видов в их естественной среде обитания (рис. 2). У человека эумеланин и феомеланин участвуют в защите от УФ-излучения (Coelho et al., 2009). Другая важная защитная активность этих пигментов включает их функции поглотителей свободных радикалов. Эта активность снижает производство активных форм кислорода (Meredith and Sarna, 2006). Меланин также содержится в глазах и мозге человека и других позвоночных.Однако роль пигмента в этих органах до конца не изучена. У птиц меланин участвует в окраске перьев. Эта функция связана с передачей сигналов, влияющих на репродуктивную способность (McGraw, 2008). Темный цвет, придаваемый меланином, выполняет функцию терморегуляции, поглощая лучистую энергию в организмах, таких как земноводные и рептилии (Clusella-Trullas et al., 2007). У некоторых видов моллюсков, осьминогов и кальмаров, производство и секреция чернил являются своеобразным защитным механизмом.Основным компонентом этого продукта является эумеланин, который синтезируется чернильной железой этих организмов (Palumbo, 2003). У насекомых образование меланина связано со склеротизацией кутикулы. Кутикула — внешний компонент экзоскелета насекомых. Меланогенез приводит к отвердению кутикулы, обеспечивая защиту от физического повреждения. Кроме того, меланизация действует как защитный механизм от патогенов у насекомых. При инфицировании образование меланина вокруг патогена блокирует его пролиферацию (Vavricka et al., 2014). У грибов меланизация является общим признаком, связанным с патогенезом. В этих организмах предшественники меланина включают DHN, HGA, γ-глутаминил-4-гидроксибензол, катехол и тирозин. Помимо фотозащитной и антиоксидантной активности у грибов меланины также участвуют в обеспечении устойчивости к химическим и механическим воздействиям (Cordero, Casadevall, 2017). Кроме того, меланин был предложен в качестве пигмента для сбора энергии в грибах. Было установлено, что сублетальные дозы гамма-излучения вызывают усиленное повышение уровня НАДФН и скорости роста у некоторых видов грибов (Dadachova et al., 2007). Производство меланина бактериями было выявлено у видов Rhizobium, Streptomyces, Marinomonas, Pseudomonas, Serratia и Bacillus . У этих организмов меланин участвует в вирулентности, а также в защите от ультрафиолетового света и агентов окисления (Trias et al., 1989; Patel et al., 1996; López-Serrano et al., 2004; Piñero et al., 2007). ; Манивасаган и др., 2013).

Рисунок 2 . Основные биологические функции меланинов.

Применение меланинов

Меланины имеют очень сложную полимерную структуру, что приводит к различным химическим и физическим свойствам. Помимо блокирования УФ-излучения, они также могут поглощать рентгеновские и гамма-лучи (Hill, 1992). Эти полимеры также обладают способностью поглощать активные формы кислорода и свободные радикалы, а также демонстрируют окислительно-восстановительное поведение (Liu et al., 2015). Меланин является аморфным полупроводником, поэтому его оценивают как компонент электронных схем, батарей, а также солнечных элементов (Bothma et al., 2008; Ким и др., 2013 г.; Амбрико и др., 2014). В настоящее время для этих приложений используются неорганические полупроводники. Однако они имеют большое воздействие на окружающую среду и относительно высокую стоимость. Напротив, органические полупроводники, такие как меланины, не имеют тех же недостатков и их легче обрабатывать. Дополнительным преимуществом меланина перед традиционными полупроводниками является его биосовместимость, что делает его пригодным для использования в имплантируемых устройствах.

В другом типе применения меланин использовался в качестве матрицы для синтеза серебряных или золотых наноструктур и наночастиц, имеющих потенциальное применение в пищевой и медицинской промышленности (Apte et al., 2013; Патил и др., 2018). Меланин также был оценен как добавка к синтетическому полимеру. Было обнаружено, что добавление эумеланина к поли(метилметакрилату) (ПММА) вызывает значительное увеличение термостабилизации (Shanmuganathan et al., 2011). Потребуются дальнейшие исследования, чтобы показать, можно ли использовать меланины для улучшения свойств других синтетических полимеров. В родственном исследовании было продемонстрировано, что алломеланин может быть включен в качестве красителя в гидрогель мягких контактных линз (Ahn et al., 2019). По сравнению с синтетическими красителями использование алломеланина дает преимущество антибактериальной и антиоксидантной активности. В области медицины сообщалось, что клеток Escherichia coli , экспрессирующих ген melA , кодирующий тирозиназу, из Rhizobium etli , можно использовать для фотоакустической визуализации, метода с улучшенным отношением глубины к разрешению по сравнению с оптическим изображением. (Папроски и др., 2015). Этот подход имеет потенциал для улучшения понимания бактериальных патогенных процессов.В другом приложении визуализации меланин использовался в качестве контрастного вещества в датчиках магнитно-резонансной томографии (Williams, 1994). Кожные и косметические применения меланина включают его использование для окрашивания волос. Широко используемые синтетические окислительные красители вызывают повреждение волос, и с ними непросто обращаться. Напротив, процесс, основанный на использовании предшественников меланина, которые могут связываться с волосами после окисления воздухом, имеет то преимущество, что не вызывает повреждений и является более безопасным (Koike and Ebato, 2013).

Меланины могут действовать как хелаторы металлов, и эта способность может быть использована в экологических целях.Связывание металлов с меланином включает множественные координационные связи между гидроксильными, аминными и карбоксильными функциональными группами в этом полимере. В исследовании биоремедиации почв было показано, что меланин грибов эффективно связывает тяжелые металлы, такие как цинк и свинец (Fogarty and Tobin, 1996). В другом исследовании меланин был синтезирован с использованием тирозиназы, экстрагированной из растения Amorphophallus campanulatus , и L-ДОФА в качестве субстрата. Было установлено, что меланин может эффективно удалять уран из водного раствора (Saini and Melo, 2013).

Следует отметить, что предыдущие чехлы все еще находятся в стадии разработки и еще не коммерциализированы. Однако есть несколько примеров коммерчески доступных продуктов, содержащих меланин. В настоящее время основное коммерческое применение меланина — это краситель для линз солнцезащитных очков. В данном случае неизвестно, какие химические красители заменены меланином, но в качестве преимущества выделяются природное происхождение пигмента и способность уменьшать видимый свет высокой энергии (https://espeyewear.ком/). Коммерческий продукт, относящийся к дерматологии, представляет собой солнцезащитный крем для сухой кожи, содержащий чернила кальмара в качестве антиоксиданта. Преимуществом этого продукта перед конкурирующими солнцезащитными средствами является ожидаемое меньшее раздражение кожи по сравнению с синтетическими красителями (https://chicet.com/product/melanin-sunscreen-for-dry-skin/).

Производство меланинов с помощью природных меланогенных организмов

Текущее и потенциальное применение меланинов зависит от возможности получения этих пигментов из обильных и относительно недорогих источников.Эти продукты могут быть извлечены из природных источников, таких как ткани животных или растений, с использованием относительно недорогих методов. Однако эти источники обычно содержат смесь различных типов меланинов и родственных им веществ, что усложняет процедуры очистки и может давать продукт переменного состава. Эти полимеры также могут быть получены химическим или ферментативным окислением фенольных или индольных субстратов (Saini, Melo, 2015). Эти методологии могут генерировать меланины с высокой степенью чистоты, но при относительно высокой стоимости.Другой вариант получения этих полимеров основан на культивировании природных микробов, продуцирующих меланин, или микробов, которые были генетически сконструированы для производства меланинов. Этот подход имеет потенциал для создания этого класса продуктов с относительно низкой стоимостью и высоким выходом.

Несмотря на то, что этот обзор посвящен главным образом сконструированным микроорганизмам, в него включено краткое описание усилий, направленных на разработку процессов производства меланина с помощью природных меланогенных организмов.Производство меланина наблюдалось у нескольких видов микроорганизмов и грибов как в их естественной среде, так и в лабораторных условиях выращивания. Виды организмов с меланогенной способностью, которые использовались для разработки производственных процессов, включают Pseudomonas stutzeri, Gliocephalotrichum simplex, Rhizobium sp., Brevundimonas sp., Aspergillus fumigatus, Bacillus safensis, Streptomyces lusitanus , и 9 Джалми и др., 2012; Чжао и Тонг-Суо, 2012 г.; Ганеш Кумар и др., 2013 г.; Surwase и др., 2013; Го и др., 2014; Мадхусудхан и др., 2014 г.; Тарангини и Мишра, 2014 г.; Раман и др., 2015). Процессы получения меланина с помощью этих организмов обычно включают статистические экспериментальные методы, направленные на выявление условий культивирования и компонентов среды, положительно влияющих на продуктивность (Zhao, Tong-Suo, 2012; Tarangini, Mishra, 2014). Было обнаружено, что параметры культуры, такие как температура, pH, концентрация кислорода и предшественников меланина, способствуют продуктивности.Разработанные процессы позволили производить меланин с титрами в диапазоне 0,01–13,7 г/л (Guo et al., 2014; Raman et al., 2015). В большинстве этих процессов положительная корреляция с образованием полимера наблюдалась при увеличении в культуральных средах количества L-тирозина или компонентов, его содержащих. Таким образом, полученный полимер, вероятно, является эумеланином. Однако в большинстве случаев питательные среды включают дрожжевой экстракт или белковые гидролизаты. Следовательно, в процессе образования меланина некоторые компоненты среды в дополнение к L-тирозину могут быть включены в полимер, давая пигмент, который не является чистым эумеланином.Это важный недостаток большинства процессов, разработанных с меланогенными организмами, которые требуют сложных сред для роста и производства.

Производство меланинов с помощью генно-инженерных микроорганизмов

Экспериментальные методологии, известные под общим названием методы генной инженерии, позволяют модифицировать генетический материал микробов с целью повышения или создания способности производить определенные молекулы. В настоящее время возможно генетически сконструировать разнообразные микроорганизмы, и это число постоянно растет.Применение технологии секвенирования ДНК в сочетании с биохимическим анализом позволило выяснить пути и специфические гены, связанные с производством меланинов. Эти знания и технологии являются основой для создания рекомбинантных микробов для усиленного производства меланина и для передачи этой способности немеланогенным микроорганизмам.

Генерация меланогенных микроорганизмов путем экспрессии генов, кодирующих тирозиназы

Далее следует обзор и анализ достижений, связанных с созданием рекомбинантных микробных штаммов и производственных процессов для синтеза меланинов.Сообщалось о первом примере рекомбинантного меланогенного микроба с бактерией E. coli . Этот организм был модифицирован, чтобы экспрессировать гены актиномицета Streptomyces anti- hibiticus . В S.antibiatus локус mel включает два гена, mel и ORF438, которые необходимы для производства меланина. Было показано, что рекомбинантный штамм E. coli продуцирует эумеланин из L-тирозина в чашках с агаром и жидких культурах, но титры не сообщались.Интересно, что также было продемонстрировано, что синтетические неприродные аминокислоты, такие как N-ацетил-L-тирозин и этиловый эфир L-тирозина, могут быть использованы в качестве субстратов тирозиназой S.antibiosis с образованием синтетических меланинов (делла-Чиоппа). и др., 1990). В другом отчете локус mel из S.antibiosis также использовали для получения рекомбинантного штамма E.coli , полученного из JM109. Ген mel был помещен под транскрипционный контроль промотора фага Т5 и двух операторов lac .Культивирование этого рекомбинантного штамма в среде LB привело к извлечению 0,4 г/л эумеланина (таблица 1). Извлечение эумеланина из культуральной среды основывалось на осаждении путем доведения рН до 3,0 с последующим растворением его в дистиллированной воде при рН 8,0. За этой процедурой следовала жидкостная хроматография на сефадексе LH-20. Очищенный эумеланин использовали для изучения влияния присутствия этого полимера на противомикробную активность нескольких антибиотиков. Было установлено, что эумеланин снижает антибиотический эффект на E.coli ампициллина, канамицина, полимиксина В и тетрациклина дозозависимым образом (Lin et al., 2005). В дополнение к клинической значимости таких результатов наблюдаемый ответ можно использовать для отбора рекомбинантных штаммов с более высоким уровнем выработки меланина на основе устойчивости к антибиотикам.

Таблица 1 . Спроектированы микробные штаммы для производства меланинов.

В другом раннем примере показано, что штамм 4D11 Bacillus thuringiensis продуцирует меланин при культивировании в течение нескольких часов с L-тирозином при 42°C (Ruan et al., 2004). Эти результаты показали, что этот организм должен содержать в своем геноме ген, кодирующий тирозиназу. Поскольку последовательность генома B. thuringiensis 4D11 не была известна, была разработана стратегия клонирования, основанная на ожидаемом сходстве последовательности с геном тирозиназы из Bacillus cereus 10987. На основе гена тирозиназы была разработана пара праймеров для ПЦР. последовательность из B. cereus 10987 и использовали для амплификации фрагмента ДНК длиной 1179 п.н. из B.thuringiensis 4D11 очищенная ДНК. Анализ последовательности показал, что этот фрагмент ДНК демонстрирует 99% сходство аминокислотной последовательности с тирозиназой из B. cereus 10987. Продукт ПЦР клонировали в плазмиде pGEM-7zf под контролем промотора lac . Штамм E. coli DH5α трансформировали этой плазмидой, и было показано, что рекомбинантный штамм продуцирует эумеланин с титром 5,6 г/л при выращивании в жидкой казеиновой среде (таблица 1). Интересно, что также было установлено, что этот рекомбинантный штамм показал значительно более высокую выживаемость по сравнению с DH5α в экспериментах по воздействию УФ-излучения (Ruan et al., 2005). Эти результаты показывают, как в дополнение к приданию способности производить меланин как биотехнологический продукт, гетерологичная экспрессия гена, кодирующего тирозиназу, может увеличить способность хозяина сопротивляться УФ-излучению. Это является следствием выработки меланина, признака, который может быть полезным в случае микроорганизмов, используемых в полевых условиях, таких как B. thuringiensis . Возможность создания микробов, способных выжить в среде с высоким уровнем ультрафиолетового излучения, также актуальна для будущих космических приложений.Считается, что микробы необходимы для поддержки человеческой жизни, обеспечивая пищу, полезные химические вещества и перерабатывая отходы в дальних космических полетах и ​​проектах по колонизации планет (Horneck et al., 2010; https://blogs.scientificamerican.com/observations/). микробы-могут-быть-ключом-к-марсианской-миссии/). Меланин также может поглощать рентгеновские и гамма-лучи, что может повысить выживаемость искусственных микробов в окружающей среде за пределами нашей планеты.

Среди почвенных бактерий Rhizobium etli особенно важен для сельского хозяйства, поскольку он может фиксировать азот, когда образует клубеньки на корнях растения Phaseolus vulgaris .Было установлено, что эта бактерия может продуцировать меланин в симбиотических клубеньках, а ген, кодирующий тирозиназу, был идентифицирован в симбиотической плазмиде ( melA ) (Gonzalez et al., 2003; Piñero et al., 2007). Ген melA клонировали в векторе экспрессии pTrc99A под контролем сильного промотора trc , и полученную плазмиду pTrc melA трансформировали в E.coli . Рекомбинантный штамм E. coli продуцировал эумеланин, когда L-тирозин был предоставлен в качестве субстрата при 30°C и в гораздо меньшем количестве при 37°C (Cabrera-Valladares et al., 2006). Также было отмечено, что синтез меланина происходил только во время стационарной фазы культивирования. При клонировании гена melA было обнаружено, что колония рекомбинантной E. coli в среде, содержащей L-тирозин, имеет более темный цвет по сравнению с остальными колониями. После секвенирования ДНК гена melA в этом клоне было определено, что он имеет спонтанную мутацию изменения одного нуклеотида, когда остаток Asp535 был заменен на остаток Gly в ферменте тирозиназе MelA.Эта мутантная версия MelA была названа MutMelA. Дальнейшая характеристика показала, что продукция эумеланина в жидких культурах начинается раньше в культурах E. coli , экспрессирующих MutmelA, по сравнению со штаммом, экспрессирующим версию этого фермента дикого типа. Для разработки и оптимизации процесса получения эумеланина было проведено исследование по определению оптимальных условий для синтеза пигмента в жидких культурах с использованием рекомбинантного штамма E. coli , экспрессирующего MutmelA. Определяли влияние концентрации антибиотика для давления отбора плазмиды, изопропил-d-тиогалактопиранозида (IPTG) в качестве индуктора гена, температуры культуры и pH на концентрацию эумеланина.Наилучшие условия для производства в биореакторе заключались в использовании 0,1 ммоль/л ИПТГ, температуре культивирования 30°С и изменении рН среды с 7,0 до 7,5 в начале фазы продукции эумеланина. Всего к культуральной среде добавляли 6 г/л L-тирозина в качестве предшественника эумеланина. В этих условиях наблюдался 100% конверсия L-тирозина в эумеланин с конечным титром 6 г/л (таблица 1) (Lagunas-Muñoz et al., 2006). Эти результаты подчеркивают важность оптимизации условий культивирования как фактора достижения максимального выхода и продуктивности рекомбинантного меланогенного штамма.

В ходе биоразведки микроорганизмы, способные вырабатывать меланин, были выделены из образцов почвы в Китае. Один из таких микробов был идентифицирован как Streptomyces kathirae SC-1, он проявлял наибольшую способность к продукции меланина среди всех изолятов. Для оптимизации среды и условий роста использовался метод поверхностного отклика, позволяющий производить 13,7 г/л меланина (Guo et al., 2014). Важно отметить, что культуральная среда, используемая в этом исследовании, включала дрожжевой экстракт, который представлял собой смесь предшественников меланина.Следовательно, полученный полимер необходимо охарактеризовать, чтобы определить его химический состав и определить тип производимого меланина. Чтобы лучше понять меланогенез в этом организме, новая тирозиназа была очищена до гомогенности. Это фермент с молекулярной массой 30 кДа, демонстрирующий K m для L-ДОФА и L-тирозина 0,42 и 0,25 мМ соответственно. Частичная аминокислотная последовательность этой тирозиназы была использована для создания праймеров, позволяющих амплифицировать кодирующий ген melC и его промоторную область.Анализ последовательности промоторной области выявил два предполагаемых промотора: P skmel и P 135 . Ген melC клонировали под транскрипционным контролем либо предполагаемого промотора, либо конститутивного промотора Perm E * в репликативной плазмиде pIJ86, и полученные конструкции трансформировали в S. lividans и S. kathirae . Рекомбинантные штаммы S. lividans были охарактеризованы, и было установлено, что P skmel является функциональным промотором для melC .Рекомбинантные штаммы S. kathirae культивировали в условиях продукции меланина. Было установлено, что штаммы, экспрессирующие melC из Perm E * или P skmel , продуцировали 24,9 и 28,8 г/л меланина соответственно (таблица 1) (Guo et al., 2015). Следует отметить, что это самые высокие титры меланина, зарегистрированные на сегодняшний день, что подчеркивает потенциал применения методов генной инженерии для дальнейшего повышения производственной способности меланогенного организма (таблица 1).Эта производственная система имеет потенциал для дальнейшей оптимизации, в частности, в отношении состава питательной среды. Среда содержит относительно большое количество дрожжевого экстракта (37 г/л), что является дорогостоящим компонентом. Экстракт дрожжей может усложнить процедуры очистки меланина, а некоторые его компоненты могут реагировать с предшественниками меланина, образуя полимер, не состоящий полностью из предшественника L-тирозина. По этим причинам поиск питательной среды, содержащей только соли и простой источник углерода, должен стать целью будущих исследований для улучшения текущей схемы производства.

Фенольные альдегиды представляют собой соединения, применяемые в химической и пищевой промышленности. Микробное производство этого класса химических веществ в E. coli включает экспрессию гетерологичных генов и другие модификации метаболической сети. В рамках исследования по созданию штамма E. coli для синтеза фенольных альдегидов этот организм был модифицирован для получения кофейной кислоты из L-тирозина. Это включает экспрессию тирозин-аммиак-лиазы (TAL) для превращения L-тирозина в кумаровую кислоту и p -кумарат-3-гидроксилазы (C3H) для производства кофейной кислоты (рис. 3).В этих экспериментах наблюдался темный пигмент, имеющий характеристики меланина. Этот меланин кофейной кислоты, вероятно, продуцируется окислением катехинового фрагмента некоторыми оксидазами, закодированными в геноме E. coli . Также было замечено, что протокатехуальдегид, добавленный к культуральной среде и инкубированный с E. coli , давал меланиновый пигмент коричневого цвета, тогда как меланин кофейной кислоты был черным. В рамках этой работы гены, кодирующие ферулоил-КоА-синтетазу (FCS) и эноил-КоА-гидратазу/альдолазу (ECH) из Burkholderia glumae BGR1, были экспрессированы в E.coli (рис. 3). Рекомбинантный штамм приобрел способность превращать кофейную кислоту в протокатеховый альдегид. В рамках этого исследования было замечено, что в присутствии 5 мМ кофейной кислоты дикий тип E. coli BL21 (DE3) продуцировал 0,15 г/л меланина (таблица 1). При добавлении такого же количества кофейной кислоты к культуре с рекомбинантным штаммом, экспрессирующим fcs и ech , меланин продуцировался с большей скоростью, достигая титра 0,2 г/л (Jang et al., 2018).Этот меланиновый продукт не был химически охарактеризован, вероятно, это полимер, состоящий из смеси кофеиновой кислоты и фрагментов протокатехальдегида. Эти результаты демонстрируют продукцию меланинов кофейной кислоты и протокатехальдегида с рекомбинантным E. coli . Очевидно, что активность FCS и ECH влияет на синтез меланина и/или предшественников меланина в этом штамме, однако механизмы наблюдаемых результатов еще полностью не поняты. Химическая характеристика продуцируемого меланина должна обеспечить дальнейшее понимание химических предшественников, участвующих в его формировании.Также представляет интерес идентификация нативного фермента из E. coli , который участвует в окислении кофейной кислоты и протокатехальдегида, что приводит к их полимеризации в меланин. Клонирование и сверхэкспрессия гена, кодирующего эту еще не идентифицированную оксидазу, должны позволить улучшить штаммы, продуцирующие меланин. В последующем отчете было продемонстрировано, что меланин на основе протокатехуальдегида можно использовать для окрашивания мягких контактных линз (Ahn et al., 2019). Антибактериальная и антиоксидантная активность меланинов должна иметь преимущество в таком применении по сравнению с химически синтезированными красителями.

Рисунок 3 . Метаболические пути и экспрессируемые гены, связанные с синтезом меланинов с помощью сконструированных микроорганизмов. Пунктирные стрелки указывают на две и более ферментативные реакции. Подчеркнутые гены были сверхэкспрессированы из плазмид. PTS – транспортный белок глюкозы фосфотрансферазной системы; Gly, глицерин; Gly3P, глицерол-3-фосфат; G6P, глюкозо-6-фосфат; E4P, D-эритрозо-4-фосфат; ФЕП, фосфоенолпируват; DAHP, 3-дезокси-D- арабино--гептулозонат-7-фосфат; HPP, 4-гидроксифенилпируват; ЧА, хоризмат; ANT, антранилат; PPA, фенилпируват; HPPD, гидроксифенилпируватдегидрогеназа; HGO, гомогентизат-1,2-диоксигеназа; L-тирозин, L-тирозин; L-Phe, L-фенилаланин; L-Trp, L-триптофан; tktA , ген, кодирующий транскетолазу; aroG fbr , ген, кодирующий устойчивую к ингибированию по принципу обратной связи DAHP-синтазу; trpEG , гены, кодирующие компонент I антранилатсинтазы; trpD9923 представляет собой мутантную версию trpD , вызывающую потерю активности антранилатфосфорибозилтрансферазы и сохранение активности антранилатсинтазы; tyrC , ген, кодирующий циклогексадиенилдегидрогеназу; C3H, ген, кодирующий p -кумарат-3-гидроксилазу; TAL, ген, кодирующий тирозин-аммиак-лиазу; FCS, ген, кодирующий ферулоил-КоА-синтетазу, форма B.глумы BGR1; ECH, ген, кодирующий эноил-КоА-гидратазу/альдолазу из B. glumae BGR1; antABC кодирует терминальную оксигеназу и редуктазные компоненты антранилат-1,2-диоксигеназы из P. aeruginosa PAO1; pheA CM , ген, кодирующий домен хоризматмутазы из хоризматмутазы-префенатдегидратазы; Mut melA , ген, кодирующий мутантную версию тирозиназы из R. etli .

Случайный мутагенез для селекции меланогенного штамма

Было обнаружено, что штамм F6 почвенной бактерии Pseudomonas putida проявляет способность продуцировать меланин при выращивании на среде, содержащей L-тирозин.Чтобы понять роль генов, участвующих в меланогенезе, был проведен мутагенез транспозонов. В результате этого процесса были получены два мутанта с повышенной способностью вырабатывать меланин. Один из таких мутантов (F6-HDO) продуцировал 0,35 г/л меланина, что соответствует 6-кратному увеличению по сравнению с P. putida F6 (табл. 1). Интересно, что этот мутант показал более высокую устойчивость к УФ-излучению и H 2 O 2 по сравнению с диким типом. Генетический анализ показал, что мутагенез транспозона нарушил ген, кодирующий HGA-1,2-диоксигеназу (HGO).Этот фермент превращает HGA в 4-малеилацетоацетат как часть пути деградации. Следовательно, ожидается, что эта мутация снизит потребление HGA HGO. Этот результат указывает на то, что HGA является предшественником алломеланина в этом мутантном штамме (рис. 3) (Nikodinovic-Runic et al., 2009). Синтез HGA происходит из пути биосинтеза L-тирозина. Промежуточный 4-гидроксифенилпируват (HPP) превращается в HGA ферментом гидроксифенилпируватдегидрогеназой (HPPD) (рис. 3). Это пример использования случайного мутагенеза для выделения мутантов с улучшенным меланогенезом.Важным преимуществом работы с меланогенными организмами является простота процесса идентификации мутантов, так как их можно обнаружить визуально. Исследования, подобные этому, необходимы для выявления новых генов, участвующих в процессе меланогенеза. Как только пути меланогенеза идентифицированы, можно применить рациональную стратегию для усиления нативной меланогенной способности или передачи ее другому организму.

Случайный мутагенез — это относительно простой метод улучшения штамма, но он ограничен организмами, которые уже обладают нативной способностью вырабатывать меланин.Обычно место и тип мутации в улучшенном меланогенном организме неизвестны, что ограничивает использование рациональных стратегий дальнейшего улучшения штамма. Кроме того, генетические изменения, вызванные случайным мутагенезом, могут быть нестабильными, поэтому штамм может вернуться к фенотипу с низким уровнем продуцента. Решение этих проблем может быть основано на секвенировании генома улучшенного штамма, дающем информацию о типе мутации, а также о генах и путях, участвующих в наблюдаемом фенотипе.Эта информация может быть использована для «реинжиниринга» меланогенного организма путем применения методов генной инженерии для повторного введения идентифицированных мутаций. Эту стратегию можно использовать для отделения генетических изменений, связанных с улучшенным фенотипом, от тех, которые могут быть вредными или возникать в результате генетической нестабильности.

В предыдущих примерах описывались рекомбинантные штаммы и способы превращения различных ароматических соединений в меланины. Добавляя различные предшественники меланина в культуральную среду, они могут использоваться тирозиназами в качестве субстратов для образования специфических пигментов (таблица 1).Такие процессы имеют потенциал для демонстрации высокой производительности. Кроме того, используя различные ароматические предшественники, можно получать различные типы меланинов. Несмотря на эти преимущества, можно выделить несколько недостатков. Одним из них является относительно высокая стоимость использования чистых предшественников меланина. Однако при использовании нечистых и относительно недорогих предшественников меланина, таких как дрожжевой экстракт или белковые гидролизаты, возникает другая проблема. Использование сложных сред может привести к изменчивости состава продуцируемых меланинов, поскольку эти культуральные среды могут содержать разнообразные и переменные количества соединений, которые могут быть субстратами тирозиназ или которые могут реагировать с молекулами-предшественниками меланина.Кроме того, использование неопределенных сред делает процессы очистки меланина более сложными и дорогими.

Генетические модификации, используемые для создания ранее описанных производственных штаммов, в основном основаны на клонировании генов, кодирующих тирозиназу, на многокопийной экспрессионной плазмиде (таблица 1). Этот подход оказался эффективным для достижения титров в граммах в нескольких примерах. Однако еще предстоит определить, может ли хромосомная экспрессия этих генов привести к получению эффективных производственных штаммов, преимущество которых заключается в том, что не требуется использование антибиотиков для селекции плазмид.Следует отметить, что E. coli часто выбирали в качестве хозяина для производства меланинов. Это, вероятно, является результатом обширного набора инструментов генетической и метаболической инженерии, доступных для этого организма (таблица 1). Однако следует принимать во внимание потенциальные преимущества инженерии природных меланогенных организмов. Самый высокий титр меланина, зарегистрированный на сегодняшний день, был получен в процессе с рекомбинантным штаммом S. kathirae . Можно было бы ожидать, что меланогенные организмы обладают физиологическими особенностями, делающими их более подходящими в качестве производственных штаммов.Например, специализированные метаболические пути для образования предшественников меланина, усиленные транспортные процессы для интернализации субстратов тирозиназы или для экскреции меланина.

Метаболическая инженерия, применяемая для производства меланинов из простых источников углерода путем увеличения поставок прекурсоров

Одно из возможных решений упомянутых выше проблем включает создание микробных штаммов для полного синтеза меланинов из простых источников углерода.Этот подход основан на применении стратегий метаболической инженерии для увеличения потока в путь шикимата, который обеспечивает предшественники ароматических аминокислот. В одном примере методы метаболической инженерии применялись для создания штамма E. coli , способного продуцировать предшественник эумеланина L-тирозин из глюкозы (Chávez-Béjar et al., 2008). Этот штамм был модифицирован для увеличения притока углерода в путь биосинтеза L-тирозина путем сверхэкспрессии генов, кодирующих нечувствительный к обратной связи вариант фермента 3-дезокси-D- арабино -гептулозонат-7-фосфат (DAHP)синтазы ( aroG fbr ), циклогексадиенилдегидрогеназа (TyrC) из Zymomonas mobilis и домен хоризматмутазы из нативного фермента хоризматмутаза-префенатдегидратаза.Кроме того, этот штамм экспрессировал ген Mut melA , кодирующий тирозиназу MutMelA (фиг. 3). Этот штамм обладал потенциалом синтеза эумеланина из глюкозы. Однако было установлено, что активность MutMelA истощает пул L-тирозина, вызывая дефект клеточного роста. Фермент тирозиназа требует Cu в качестве кофактора для активности. Поэтому этот элемент исключали из среды в течение первой половины культивирования, чтобы избежать истощения L-тирозина под действием MutMelA. Фаза продукции эумеланина начиналась добавлением в среду CuSO 4 , что вызывало активацию тирозиназы.Эта стратегия применялась в биореакторных культурах со средой, содержащей 60 г/л глюкозы в качестве единственного источника углерода. Через 120 часов было произведено 3,2 г/л эумеланина (таблица 1) (Chávez-Béjar et al., 2013). Эти результаты были первым примером применения метаболической инженерии для создания штамма для полного синтеза эумеланина. Это исследование предоставило полезную информацию о потенциальных негативных последствиях для физиологии клеток в результате высокого уровня экспрессии тирозиназы. Эта проблема была решена за счет отсроченной активации гетерологичного фермента.Альтернативное решение может быть основано на точном контроле индукции генов на определенной фазе производственной культуры.

При характеристике фермента MutMelA было установлено, что в дополнение к L-тирозину он также может использовать катехол в качестве субстрата. Таким образом, этот фермент может быть использован для синтеза катехинового меланина. Чтобы проверить эту идею, был разработан процесс биоконверсии с использованием штамма E. coli , экспрессирующего MutMelA и растущего в среде, содержащей 40 г/л глицерина в качестве источника углерода и катехол 0.85 г/л в качестве субстрата тирозиназы. Через 54 часа продуцируется 0,29 г/л катехинового меланина. Для дальнейшего улучшения этого процесса была проведена оценка метаболической инженерии для создания штамма, способного генерировать катехол меланин из простого источника углерода. Стратегия, которой следовали, основана на использовании сконструированного штамма E. coli , который может продуцировать катехол из простого источника углерода (Balderas-Hernandez et al., 2014). Штамм E. coli W3110 trpD9923 представляет собой мутант пути биосинтеза L-триптофана, который избыточно продуцирует промежуточный антранилат (Yanofsky et al., 1971). Этот штамм был модифицирован для увеличения притока углерода к антранилату путем сверхэкспрессии генов aroG fbr и tktA , кодирующих нечувствительную к обратной связи версию DAHP-синтазы и транскетолазы, соответственно (рис. 3). Эти модификации вызывали двукратное увеличение титра антранилатов в культурах в колбах (Balderas-Hernandez et al., 2009). Этот штамм был дополнительно модифицирован экспрессией генов antABC , кодирующих антранилат-1,2-диоксигеназу из Pseudomonas aeruginosa PAO1.Этот фермент катализирует превращение антранилата в катехол (рис. 3). На заключительном этапе конструирования штамма ген Mut melA был интегрирован в хромосому в месте гена lacZ . Полученный штамм оценивали в биореакторных культурах в масштабе 1 л. В качестве источника углерода питательная среда содержала 40 г/л глицерина. Глицерин был выбран вместо глюкозы в качестве источника углерода, поскольку первый не расходует предшественник ароматических соединений PEP во время его интернализации и фосфорилирования.Кроме того, глицерин является относительно недорогим, распространенным и возобновляемым источником углерода и энергии, который получают в основном как побочный продукт производства биодизельного топлива и мыла (Tan et al., 2013). Питательная среда также содержала 2 г/л дрожжевого экстракта, поскольку штамм является ауксотрофом по L-триптофану. В этих условиях сконструированный штамм демонстрировал рост в течение 17 ч, после чего вступал в стационарную фазу, которая заканчивалась через 72 ч общего времени культивирования. Накопление катехинового меланина началось через 18 часов, очень близко к началу стационарной фазы.В конце культивирования из культуральной среды было извлечено 1,21 г/л катехинового меланина (таблица 1) (Mejía-Caballero et al., 2016). В конце культивирования наблюдали накопление 0,73 г/л катехола. Этот результат указывает на то, что скорость синтеза этого предшественника превышает способность MutMelA потреблять его. Следовательно, в этом случае повышение активности тирозиназы должно стать целью улучшения продуктивности штамма.

Попытки метаболической инженерии увеличить выработку меланина до сих пор были сосредоточены на E.палочка . Это результат накопленных знаний, связанных с разработкой центрального метаболизма и пути шикимате в этом организме. Для дрожжей Saccharomyces cerevisiae также проведен большой объем работ, связанных с рациональной модификацией метаболических путей для производства ароматических соединений. Некоторые из этих модификаций были направлены на увеличение поступления L-ДОФА, поскольку это соединение является ранним промежуточным продуктом для синтеза бензилизохинолиновых алкалоидов (БИА).В одном отчете с целью улучшения штамма S. cerevisiae для производства BIA была использована стратегия, основанная на использовании ферментативного биосенсора и мутагенеза. Было обнаружено, что цитохром P450 L-ДОФА-оксидаза CYP76AD1 из сахарной свеклы Beta vulgaris проявляет активность тирозингидроксилазы, что приводит к синтезу L-ДОФА. Чтобы улучшить эту активность, была использована подверженная ошибкам ПЦР для создания мутантной библиотеки CYP76AD1. Идентификация мутантов с более высокой активностью была основана на визуальном обнаружении колоний, демонстрирующих самую высокую флуоресценцию, поскольку клетки экспрессируют фермент, превращающий L-ДОФА в бетаксантин.На втором этапе была использована перетасовка ДНК с генами шести выделенных улучшенных вариантов CYP76AD1 для объединения мутаций. Эта процедура позволила выделить мутантную версию CYP76AD1, которая показала 2,8-кратное увеличение титра L-DOPA по сравнению с ферментом дикого типа (DeLoache et al., 2015). В другом примере штаммов S. cerevisiae были сконструированы для синтеза природных и новых BIA. Одновременная делеция zwf1 , кодирующего глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу, активация TKL1 , кодирующего транскетолазу и экспрессию ARO4 Q 166 K , кодирующего , ингибируемой тирозином DAHP-синтазы, улучшил эндогенное снабжение L-тирозином, что привело к 60-кратному увеличению синтеза бензилизохинолинового каркаса.В попытке создать штамм для производства норкоклаурина были введены дополнительные модификации, позволяющие синтезировать L-ДОФА. Была выбрана BH 4 -зависимая тирозингидроксилаза из Rattus norvegicus . Были экспрессированы кодон-оптимизированные гены, кодирующие ферменты, участвующие в биосинтезе BH 4 , и тирозин-гидроксилазу, что привело к синтезу 94,5 мкг/л L-ДОФА.

Следует отметить, что эти усилия не были направлены исключительно на создание S.cerevisiae для производства L-тирозина или L-ДОФА. Таким образом, дальнейшее улучшение производительности должно быть возможным. Ожидается, что экспрессия фермента с тирозиназной активностью в этих штаммах должна давать продуценты эумеланина. Интересно отметить сходства и различия в отношении целей метаболической инженерии при сравнении E. coli и S. cerevisiae штаммов, продуцирующих L-тирозин или L-ДОФА. Одним явным сходством является необходимость экспрессии устойчивых к обратной связи мутантных версий ферментов в ключевых точках путей биосинтеза ароматических соединений.

Выводы и перспективы

Меланины представляют собой класс натуральных продуктов, которые можно рассматривать как функциональные полимеры с многочисленными потенциальными применениями в промышленности. Получение этих продуктов в больших масштабах с определенным химическим составом и по относительно низкой цене является серьезной технической задачей. Как обсуждалось в этом обзоре, один из подходов в этом направлении может быть основан на выделении и использовании природных меланогенных микроорганизмов. Эта схема имеет некоторые преимущества, такие как возможность разработки производственного процесса в относительно короткие сроки.Однако использование природных меланогенных организмов может иметь некоторые недостатки, такие как частая необходимость использования сложных сред, необходимых для индукции выработки меланина. Использование сложных сред усложняет процедуры очистки, а также может привести к синтезу меланина с нежелательными химическими компонентами. Одно из решений этих проблем было основано на использовании генной инженерии для модификации экспрессии нативных генов, участвующих в меланогенезе, а также на создании новых меланогенных организмов.Накопленные знания о биохимии и генетике производства меланина в различных организмах позволили напрямую манипулировать компонентами этого пути. Благодаря использованию методов генетической и метаболической инженерии стало возможным повысить синтетическую способность природных меланогенных организмов. Кроме того, были созданы новые меланогенные организмы, способные синтезировать меланины из простых источников углерода. Эти усилия привели к созданию штаммов и способов получения этих полимеров в масштабе граммов (таблица 1).

Основная генетическая модификация, используемая для создания или улучшения меланогенных организмов, включает сверхэкспрессию генов, кодирующих тирозиназы. Это часто основано на размещении гена тирозиназы под контролем индуцируемого промотора в репликативном плазмидном векторе. Эта стратегия позволяет точно контролировать величину и время экспрессии генов путем добавления индукторов, что позволяет оптимизировать производственный процесс. Однако использование экспрессионных плазмид, подобных используемым в примерах, рассмотренных здесь, требует добавления антибиотиков в качестве селективного давления, чтобы избежать роста клеток без плазмид.Еще одним недостатком является необходимость включения химического индуктора в питательную среду. Использование антибиотиков и индукторов удорожает производство и усложняет процедуры очистки. Этих проблем можно избежать, используя альтернативные методы селекции плазмид, не основанные на антибиотиках, а также методы генной индукции, не зависящие от добавления химических веществ (Vidal et al., 2008).

В нескольких отчетах, рассмотренных здесь, можно заметить, что титры меланина и объемная продуктивность ниже в процессах, где производственный штамм был модифицирован метаболической инженерией для преобразования источников углерода в меланины, по сравнению со штаммами, которые трансформируют предшественники меланина, представленные в питательная среда (табл. 1).Сообщаемые титры и продуктивность эумеланина не соответствуют наблюдаемым для продукции его предшественника L-тирозина (Santos et al., 2012). Это говорит о том, что все еще существует потенциальный запас прочности и улучшения производственного процесса. Потребуется дальнейшая разработка сконструированных штаммов, чтобы сделать их более конкурентоспособными.

Применение синтетической биологии, адаптивной лабораторной эволюции (ALE) и стратегий мутагенеза следует оценить для улучшения существующих штаммов, продуцирующих меланин (Bassalo et al., 2016). Использование ALE позволяет создавать сложные фенотипы. В одном сообщении синтетический биосенсорный модуль, реагирующий на внутриклеточную концентрацию ароматических аминокислот, был объединен с ALE, чтобы обеспечить создание улучшенного штамма S. cerevisiae для продукции муконовой кислоты (Leavitt et al., 2017). Этот штамм демонстрирует повышенный поток в общем пути ароматических аминокислот, поэтому его можно модифицировать для увеличения синтеза L-тирозина, следуя установленным методам.С такой модификацией штамм S. cerevisiae , разработанный в этом исследовании, может стать подходящей платформой для синтеза эумеланина. В другом отчете был разработан высокопроизводительный скрининг продукции L-тирозина путем объединения синтеза этой аминокислоты с продукцией меланина в штамме E. coli , экспрессирующем тирозиназу MelA из R. etli (Santos and Стефанопулос, 2008). Этот метод был применен для идентификации штаммов E. coli с улучшенной способностью продуцировать L-тирозин.В этом исследовании E. coli был сконструирован путем применения рациональных стратегий метаболической инженерии, вызывающих перепроизводство L-тирозина. Для дальнейшего улучшения способности к синтезу L-тирозина этот штамм подвергли глобальным технологиям транскрипционной техники (gTME) (Alper et al., 2006). Этот метод был реализован в E. coli путем экспрессии в сконструированном штамме двух отдельных библиотек gTME субъединиц РНК-полимеразы rpoA и rpoD . Улучшенные продуценты L-тирозина из этих двух библиотек идентифицировали в чашках с агаром на основании пигментации меланина колоний.Были охарактеризованы три мутантных изолята, демонстрирующих 2-кратное увеличение титра L-тирозина по сравнению со сконструированным родительским штаммом (Santos et al., 2012). Следует отметить, что в этом случае эти штаммы можно было бы использовать непосредственно в процессе получения меланина из глюкозы.

В рамках характеристики штаммов, модифицированных для синтеза меланина из простого источника углерода, было установлено, что активность тирозиназы является фактором, ограничивающим продуктивность (Chávez-Béjar et al., 2013; Мехия-Кабальеро и др., 2016). Возможно, что активность тирозиназы также может ограничивать выработку меланина у других сконструированных штаммов. Поэтому важно оценить ферменты тирозиназы из различных биологических источников, чтобы идентифицировать те из них, которые обладают желаемыми свойствами для биотехнологического применения. Обширные данные о геноме и метагеноме, доступные в настоящее время, должны предоставить большое количество генов, кодирующих предполагаемые тирозиназы, которые можно оценить экспериментально. Кроме того, применение белковой инженерии является жизнеспособным вариантом для улучшения этого класса ферментов.Эта методология еще не применялась как часть стратегии по улучшению штамма, вырабатывающего меланин. Одним из важных преимуществ работы с тирозиназами является простой анализ активности, основанный на продукции меланина, что позволяет проводить высокопроизводительные методы отбора (Santos and Stephanopoulos, 2008).

Несмотря на технические достижения в области разработки штаммов и процессов производства меланина, многие основные вопросы все еще остаются без ответа. Один важный вопрос связан с динамикой полимеризации меланина.Предполагается, что предшественники меланина синтезируются в цитозоле, затем эти молекулы выходят из клетки и начинают полимеризоваться в культуральной среде. Полимер постепенно увеличивается в размерах, образуя большое разнообразие молекул меланина. Интересно, что меланин, выделенный в разное время в культурах-производителях, имеет разнообразную окраску от желтого до черного (Chávez-Béjar et al., 2013). Можно ожидать, что эти макромолекулы также будут обладать отличными физико-химическими свойствами.Выполнение исследований динамики полимеризации меланина в производственных культурах и свойств полимеров определенных размеров имеет большое значение, поскольку они могут дать полезную информацию, ведущую к выделению продуктов с определенными характеристиками.

Для использования в качестве биотехнологического продукта меланины должны быть извлечены из питательных сред и очищены. Общий метод экстрагирования и частичной очистки этих продуктов основан на низкой растворимости этих полимеров при низких значениях pH.Метод экстракции, которого придерживаются большинство авторов, начинается с удаления клеток из культуральной среды путем центрифугирования и последующего осаждения меланина путем доведения pH до 2,0–3,0 с помощью HCl в течение 4–16 ч при 4–25°C. Осажденный меланин центрифугируют и его можно либо высушить в сушильном шкафу при 45–70°С в течение 24 ч, либо высушить вымораживанием и хранить при 4°С. В качестве альтернативы, осажденный меланин можно повторно растворить в воде при pH 8,0–9,0, и цикл осаждения и повторного растворения повторяется несколько раз с сушкой на заключительном этапе.Жидкостная хроматография Pharmacia Sephadex LH-20 была описана как дополнительная стадия очистки эумеланина (Lin et al., 2005). Ожидается, что эти методы экстракции и очистки будут давать меланины с различной степенью чистоты. Вполне вероятно, что меланин, полученный с помощью ранее упомянутых процедур, может содержать различное количество белка и других клеточных компонентов. Однако до сих пор не существует общего стандарта для определения чистоты меланина для конкретных применений.

Как видно из рассмотренных здесь рукописей, большинство опубликованных работ по микробной продукции меланина сосредоточено на эумеланине.Это понятно, поскольку этот полимер был широко охарактеризован и является наиболее распространенным типом меланина, встречающимся у людей. Следовательно, доступность эумеланина может привести к его применению в косметической и медицинской промышленности, а также в других технологических областях. Однако следует отметить, что меланины представляют собой химически разнообразную группу полимеров. Пока изучена лишь малая часть этого химического разнообразия. В дополнение к эумеланину сообщалось о процессах производства катехина, кофейной кислоты и протокатехальдегидных меланинов.Можно предположить, что для конкретных приложений разные типы меланинов будут демонстрировать разные характеристики. Действительно, в недавнем исследовании было показано, что меланин на основе протокатехуальдегида показал лучшую эффективность в качестве красителя в мягких контактных линзах по сравнению с эумеланином или меланином кофейной кислоты (Ahn et al., 2019). Следует также отметить, что неприродные меланины могут быть получены с использованием синтетических неприродных аминокислот и других соединений, которые могут использоваться в качестве субстратов тирозиназами (della-Cioppa et al., 1990). Поэтому ожидаемое разнообразие этого типа полимеров очень велико. Разработка штаммов и способов получения новых природных и синтетических меланинов должна значительно увеличить количество применений этих ароматических полимеров.

Вклад авторов

LM, AM и GG участвовали в поиске и анализе информации для этого обзора, а также в написании и критическом обзоре рукописи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Ссылки

Ан, С.Ю., Чой, М., Чон, Д.В., Парк, С., Парк, Х., Джанг, К.С., и др. (2019). Синтез и анализ химического состава нового меланинового красителя на основе протокатехуальдегида с помощью 15T FT-ICR: высокая эффективность окрашивания мягких контактных линз. Красители и пигменты 160, 546–554. doi: 10.1016/j.dyepig.2018.08.058

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Альпер Х., Моксли Дж., Невойгт Э., Финк Г. Р. и Стефанопулос Г. (2006).Разработка оборудования для транскрипции дрожжей для улучшения переносимости и производства этанола. Наука 314, 1565–1568. doi: 10.1126/science.1131969

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ambrico, M., Vecchia, N.F.D., Ambrico, P.F., Cardone, A., Cicco, S.R., Ligonzo, T., et al. (2014). Фоточувствительный сополимер на основе полидофамина, вдохновленный рыжими волосами, для гибридных фотоемкостных датчиков. Доп. Функц. Матер. 24, 7161–7172. дои: 10.1002/адфм.201401377

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Апте М., Гирме Г., Банкар А., Рави Кумар А. и Зинджарде С. (2013). 3, 4-дигидрокси-L-фенилаланин, производный меланина из Yarrowia lipolytica , опосредует синтез наноструктур серебра и золота. Дж. Нанобиотехнология 11:2. дои: 10.1186/1477-3155-11-2

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бальдерас-Эрнандес, В. Э., Сабидо-Рамос, А., Сильва, П., Кабрера-Валладарес, Н., Эрнандес-Чавес, Г., Баес-Виверос, Дж. Л., и соавт. (2009). Метаболическая инженерия для улучшения синтеза антранилата из глюкозы в Escherichia coli . Микроб. Сотовый факт. 8:19. дои: 10.1186/1475-2859-8-19

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бальдерас-Эрнандес, В. Э., Тревиньо-Кинтанилья, Л. Г., Эрнандес-Чавес, Г., Мартинес, А., Боливар, Ф., и Госсет, Г. (2014). Биосинтез катехолов из глюкозы в штаммах-сверхпродуцентах антранилата Escherichia coli путем гетерологичной экспрессии антранилат-1,2-диоксигеназы из Pseudomonas aeruginosa PAO1. Микроб. Сотовый факт. 13:136. doi: 10.1186/s12934-014-0136-x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бассало, М. К., Лю, Р., и Гилл, Р. Т. (2016). Направленная эволюция и приложения синтетической биологии к микробным системам. Курс. мнение Биотехнолог. 39, 126–133. doi: 10.1016/j.copbio.2016.03.016

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ботма, Дж. П., де Бур, Дж., Дивакар, У., Швенн, П.Э. и Мередит П. (2008). Тонкие электропроводящие меланиновые пленки приборного качества. Доп. Матер. 20, 3539–3542. doi: 10.1002/adma.200703141

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Кабрера-Валладарес, Н., Мартинес, А., Пинеро, С., Лагунас-Муньос, В.Х., Тиноко, Р., Де Анда, Р., и другие. (2006). Экспрессия гена melA из Rhizobium etli CFN42 в Escherichia coli и характеристика кодируемой тирозиназы. Фермент микроб.Технол. 38, 772–779. doi: 10.1016/j.enzmictec.2005.08.004

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чавес-Бехар, М.И., Бальдерас-Эрнандес, В.Е., Гутьеррес-Алехандре, А., Мартинес, А., Боливар, Ф., и Госсет, Г. (2013). Метаболическая инженерия Escherichia coli для оптимизации синтеза меланина из глюкозы. Микроб. Сотовый факт. 12:108. дои: 10.1186/1475-2859-12-108

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Чавес-Бехар, М.И., Лара А.Р., Лопес Х., Эрнандес-Чавес Г., Мартинес А., Рамирес О.Т. и соавт. (2008). Метаболическая инженерия Escherichia coli для продукции L-тирозина путем экспрессии генов, кодирующих домен хоризматмутазы нативной хоризматмутазы-префенатдегидратазы и циклогексадиенилдегидрогеназы из Zymomonas mobilis . Заяв. Окружающая среда. микробиол. 74, 3284–3290. doi: 10.1128/AEM.02456-07

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Клузелла-Труллас, С., ван Вик, Дж. Х., и Спотила, Дж. Р. (2007). Термический меланизм у экзотермов. Дж. Термал Биол . 32, 235–245. doi: 10.1016/j.jtherbio.2007.01.013

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Coelho, S.G., Zhou, Y., Bushar, H.F., Miller, S.A., Zmudzka, B.Z., Hearing, V.J., et al. (2009). Длительная пигментация (LLP) кожи человека, новый взгляд на упускаемую из виду реакцию на УФ-излучение. Пигментно-клеточная меланома Res. 22: 238–241. doi: 10.1111/j.1755-148X.2009.00550.х

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Кордеро, Р. Дж., и Касадевалл, А. (2017). Функции грибкового меланина сверх вирулентности. Грибковый биол. Ред. 31, 99–112. doi: 10.1016/j.fbr.2016.12.003

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дадачова Э., Брайан Р. А., Хуанг Х., Моадель Т., Швейцер А. Д., Айсен П. и соавт. (2007). Ионизирующее излучение изменяет электронные свойства меланина и усиливает рост меланизированных грибов. PLoS ONE 2:e457. doi: 10.1371/journal.pone.0000457

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

della-Cioppa, G., Garger, SJ, Sverlow, G.G., Turpen, T.H., and Grill, L.K. (1990). Продукция меланина в Escherichia coli из клонированного гена тирозиназы. Биотехнология 8, 634–638. doi: 10.1038/nbt0790-634

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

DeLoache, W.C., Russ, Z.N., Наркросс, Л., Гонсалес, А.М., Мартин, В.Дж., и Дьюбер, Дж.Е. (2015). Биосенсор, связанный с ферментом, обеспечивает выработку (S)-ретикулина в дрожжах из глюкозы. Нац. хим. биол. 11: 465–471. doi: 10.1038/nchembio.1816

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

d’Ischia, M., Wakamatsu, K., Cicoira, F., Di Mauro, E., Garcia-Borron, J.C., Commo, S., et al. (2015). Меланины и меланогенез: от пигментных клеток до здоровья человека и технологических приложений. Пигментно-клеточная меланома Res. 28, 520–544. doi: 10.1111/pcmr.12393

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ганеш Кумар, К., Саху, Н., Нарендер Редди, Г., Прасад, Р. Б. Н., Нагеш, Н., и Камал, А. (2013). Производство пигмента меланина из Pseudomonas stutzeri , выделенного из красных морских водорослей Hypnea musciformis . Письмо. заявл. микробиол. 57, 295–302. doi: 10.1111/lam.12111

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гарсия-Молина, Ф., Муньос, Дж. Л., Варон, Р., Родригес-Лопес, Дж. Н., Гарсия-Кановас, Ф., и Тудела, Дж. (2007). Обзор спектрофотометрических методов измерения монофенолазной и дифенолазной активности тирозиназы. Дж. Агрик. Пищевая хим. 55, 9739–9749. дои: 10.1021/jf0712301

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Джибелло, А., Феррер, Э., Санс, Дж., и Мартин, М. (1995). Продуцирование полимера генами Klebsiella pneumoniae гидроксилазы 4-гидроксифенилуксусной кислоты, клонированными в Escherichia coli . Заяв. Окружающая среда. микробиол. 61, 4167–4171.

Реферат PubMed | Академия Google

Glass, K., Ito, S., Wilby, P.R., Sota, T., Nakamura, A., Bowers, C.R., et al. (2012). Прямые химические доказательства пигмента эумеланина юрского периода. Проц. Натл. акад. науч. США 109, 10218–10223. doi: 10.1073/pnas.1118448109

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гонсалес В., Бустос П., Рамирес-Ромеро М.А., Медрано-Сото, А., Сальгадо, Х., Эрнандес-Гонсалес, И., и др. (2003). Мозаичная структура симбиотической плазмиды Rhizobium etli CFN42 и ее связь с другими компартментами симбиотического генома. Геном Биол. 4:R36. doi: 10.1186/gb-2003-4-6-r36

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Го, Дж., Рао, З., Ян, Т., Ман, З., Сюй, М. и Чжан, X. (2014). Высокоуровневое производство меланина новым изолятом Streptomyces kathirae . FEMS микробиол. лат. 357, 85–91. дои: 10.1111/1574-6968.12497

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Guo, J., Rao, Z., Yang, T., Man, Z., Xu, M., Zhang, X., et al. (2015). Клонирование и идентификация новой тирозиназы и ее сверхэкспрессии в Streptomyces kathirae SC-1 для усиления выработки меланина. FEMS микробиол. лат. 362:fnv041. doi: 10.1093/femsle/fnv041

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Джалми, П., Бодке П., Вахидулла С. и Рагхукумар С. (2012). Гриб Gliocephalotrichum simplex как источник обильного внеклеточного меланина для биотехнологических применений. World J. Microbiol. Биотехнолог. 28, 505–512. doi: 10.1007/s11274-011-0841-0

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Джанг С., Ган Х., Ким Б. Г. и Чой К. Ю. (2018). Зависимое от FCS и ECH производство фенольного альдегида и пигмента меланина из l-тирозина в Escherichia coli . Фермент микроб. Технол. 112, 59–64. doi: 10.1016/j.enzmictec.2017.10.011

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Kim, YJ, Wu, W., Chun, S.E., Whitacre, J.F., and Bettinger, CJ (2013). Биологически полученные меланиновые электроды в водных накопителях энергии с ионами натрия. Проц. Натл. акад. науч. США 110, 20912–20917. doi: 10.1073/pnas.1314345110

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Койке, К.и Эбато, А. (2013). Однокомпонентные композиции красок для волос, содержащие индольные соединения . Япония Токкио Кохо 2013, JP5363703B220131211.

Академия Google

Лагунас-Муньос, В.Х., Кабрера-Валладарес, Н., Боливар, Ф., Госсет, Г., и Мартинес, А. (2006). Оптимальное производство меланина с использованием рекомбинантной Escherichia coli . J. Appl. микробиол. 101, 1002–1008. doi: 10.1111/j.1365-2672.2006.03013.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ливитт, Дж.М., Вагнер, Дж. М., Ту, К. С., Тонг, А., Лю, Ю., и Альпер, Х. С. (2017). Направленная эволюция с помощью биосенсоров для улучшения выработки муконовой кислоты у Saccharomyces cerevisiae . Биотехнология. Дж. 12:1600687. doi: 10.1002/биот.201600687

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Lin, W.P., Lai, H.L., Liu, Y.L., Chiung, Y.M., Shiau, C.Y., Han, J.M., et al. (2005). Влияние меланина, продуцируемого рекомбинантной кишечной палочкой Escherichia coli , на антибактериальную активность антибиотиков. J. Microbiol. Иммунол. Заразить. 38, 320–326.

Реферат PubMed | Академия Google

Линдгрен, Дж., Мойер, А., Швейцер, М.Х., Шёвалл, П., Увдал, П., Нильссон, Д.Е., и соавт. (2015). Интерпретация окраски на основе меланина в глубоком прошлом: критический обзор. Проц. Р. Соц. Б биол. науч. 282:20150614. doi: 10.1098/rspb.2015.0614

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лю, Ю. К., Чен, С. М., Лю, Дж. Х., Хсу, Х.В., Лин, Х.Ю., и Чен, С.Ю. (2015). Механические и фотофрагментационные процессы для нанонизации меланина для повышения его эффективности в защите клеток от стресса активных форм кислорода. J. Appl. физ. 117:064701. дои: 10.1063/1.4

7

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лопес-Серрано, Д., Солано, Ф., и Санчес-Амат, А. (2004). Идентификация оперона, участвующего в активности тирозиназы и синтезе меланина у Marinomonas mediterranea . Ген 342, 179–187. doi: 10.1016/j.gene.2004.08.003

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Мадхусудхан, Д. Н., Мажари, Б. Б. З., Дастагер, С. Г., и Агсар, Д. (2014). Продукция и цитотоксичность внеклеточного нерастворимого и капелек растворимого меланина штаммом Streptomyces lusitanus DMZ-3. Биомед Рез. Междунар. 2014:306895. дои: 10.1155/2014/306895

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Манивасаган, П., Венкатесан, Дж., Сивакумар, К., и Ким, С.К. (2013). Актинобактериальные меланины: современное состояние и перспективы на будущее. World J. Microbiol. Биотехнолог. 29, 1737–1750. doi: 10.1007/s11274-013-1352-y

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Мехия-Кабальеро, А., де Анда, Р., Эрнандес-Чавес, Г., Рогг, С., Мартинес, А., Боливар, Ф., и др. (2016). Биосинтез катехинового меланина из глицерина с использованием метаболической инженерии Escherichia coli . Микроб. Сотовый факт. 15:161. doi: 10.1186/s12934-016-0561-0

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Монтефиори, округ Колумбия, и Чжоу, Дж. (1991). Селективная противовирусная активность синтетических растворимых меланинов L-тирозина и L-дофа в отношении вируса иммунодефицита человека in vitro . Противовирусный рез. 15, 11–25. дои: 10.1016/0166-3542(91)

-R

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Никодинович-Руник, Ю., Мартин, Л.Б., Бабу, Р., Блау, В., и О’Коннор, К.Е. (2009). Характеристика мутантов транспозона Pseudomonas putida F6, продуцирующих меланин. FEMS микробиол. лат. 298, 174–183. doi: 10.1111/j.1574-6968.2009.01716.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Нофсингер, Дж. Б., Лю, Ю., и Саймон, Дж. Д. (2002). Агрегация эумеланина снижает фотогенерацию активных форм кислорода. Свободный радикал. биол. Мед. 32, 720–730.doi: 10.1016/S0891-5849(02)00763-3

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Папроски, Р. Дж., Ли, Ю., Барбер, К., Льюис, Дж. Д., Кэмпбелл, Р. Э., и Земп, Р. (2015). Проверка гомолога тирозиназы melA в качестве фотоакустического репортерного гена для визуализации Escherichia coli . Дж. Биомед. Опц. 20:106008. дои: 10.1117/1.JBO.20.10.106008

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Патель, К. Р., Вайман, Дж.А., Патель, К.А., и Берден, Б.Дж. (1996). Мутант Bacillus thuringiensis , продуцирующий темно-коричневый пигмент с повышенной устойчивостью к УФ-излучению и инсектицидной активностью. J. Инвертебр. Патол. 67, 120–124. дои: 10.1006/jipa.1996.0018

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Патил С., Систла С., Бапат В. и Джадхав Дж. (2018). Меланин-опосредованный синтез наночастиц серебра и их сродство к тирозиназе. Заяв. Биохим. микробиол. 54, 163–172. дои: 10.1134/S0003683818020096

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Пиньеро, С., Ривера, Дж., Ромеро, Д., Севальос, М.А., Мартинес, А., Боливар, Ф., и другие. (2007). Тирозиназа из Rhizobium etli участвует в эффективности образования клубеньков и устойчивости к стрессу, связанному с симбиозом. Дж. Мол. микробиол. Биотехнолог. 13, 35–44. дои: 10.1159/000103595

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Прието, М.А., Перес-Аранда А. и Гарсия Дж. Л. (1993). Характеристика ароматической гидроксилазы Escherichia coli с широким диапазоном субстратов. J. Бактериол. 175, 2162–2167. doi: 10.1128/jb.175.7.2162-2167.1993

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Раман, Н. М., Шах, П. Х., Мохан, М., и Рамасами, С. (2015). Улучшенное производство меланина из Aspergillus fumigatus AFGRD105 за счет оптимизации факторов среды. АМБ Экспресс 5:72.doi: 10.1186/s13568-015-0161-0

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Розановска М., Сарна Т., Лэнд Э. Дж. и Траскотт Т. Г. (1999). Свойства меланина по улавливанию свободных радикалов: взаимодействие моделей эу- и феомеланин с восстанавливающими и окисляющими радикалами. Свободный радикал. биол. Мед. 26, 518–525. doi: 10.1016/S0891-5849(98)00234-2

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Руан, Л., Хе, В., Хе, Дж., Сун, М., и Ю, З. (2005). Клонирование и экспрессия гена mel из Bacillus thuringiensis в Escherichia coli . Антони Ван Левенгук 87, 283–288. doi: 10.1007/s10482-004-4775-5

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Руан, Л., Ю, З., Фанг, Б., Хе, В., Ван, Ю., и Шен, П. (2004). Образование меланинового пигмента и повышенная устойчивость к ультрафиолетовому излучению у Bacillus thuringiensis после индукции высокой температурой. Сист. заявл. микробиол. 27, 286–289. дои: 10.1078/0723-2020-00265

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сайни, А.С., и Мело, Дж.С. (2013). Биосорбция урана меланином: кинетические, равновесные и термодинамические исследования. Биоресурс. Технол. 149, 155–162. doi: 10.1016/j.biortech.2013.09.034

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сайни, А.С., и Мело, Дж.С. (2015). Зеленый синтез эумеланина в одном горшке: оптимизация процесса и его характеристика. RSC Adv. 5, 47671–47680. DOI: 10.1039/C5RA01962A

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сантос, К.Н.С., и Стефанопулос, Г. (2008). Высокопроизводительный скрининг на основе меланина для производства L-тирозина в Escherichia coli . Заяв. Окружающая среда. микробиол. 74, 1190–1197. doi: 10.1128/AEM.02448-07

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сантос, К.Н.С., Сяо, В., и Стефанопулос, Г. (2012).Рациональные, комбинаторные и геномные подходы к конструированию продукции L-тирозина в Escherichia coli . Проц. Натл. акад. науч. США 109, 13538–13543. doi: 10.1073/pnas.1206346109

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сарна, Т., Хайд, Дж. С., и Шварц, Х. М. (1976). Ионный обмен в меланине: исследование электронного спинового резонанса с лантаноидными зондами. Наука 192, 1132–1134. doi: 10.1126/science.179142

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Шанмуганатан, К., Чо, Дж. Х., Айер, П., Баранович, С., и Эллисон, С. Дж. (2011). Термоокислительная стабилизация полимеров с использованием природных и синтетических меланинов. Макромолекулы 44, 9499–9507. дои: 10.1021/ma202170n

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Surwase, S.N., Jadhav, S.B., Phugare, S.S., and Jadhav, J.P. (2013). Оптимизация производства меланина с помощью Brevundimonas sp. SGJ с использованием методологии поверхности отклика. 3 Биотех 3, 187–194. дои: 10.1007/с13205-012-0082-4

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Тан, Х.В., Азиз, А.А., и Аруа, М.К. (2013). Производство глицерина и его применение в качестве сырья: обзор. Продлить. Поддерживать. Energy Rev. 27, 118–127. doi: 10.1016/j.rser.2013.06.035

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Тарангини, К., и Мишра, С. (2014). Производство меланина почвенным микробным изолятом на экстракте фруктовых отходов: двухэтапная оптимизация ключевых параметров. Биотехнология. 4, 139–146. doi: 10.1016/j.btre.2014.10.001

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Триас, Дж., Виньяс, М., Гвинея, Дж., и Лорен, Дж. Г. (1989). Коричневая пигментация в культурах Serratia marcescens связана с метаболизмом тирозина. Кан. Дж. Микробиол. 35, 1037–1042. doi: 10.1139/m89-172

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Вальдеррама Б., Оливер П., Медрано-Сото, А., и Васкес-Духальт, Р. (2003). Эволюционное и структурное разнообразие лакказ грибов. Антони Ван Левенгук 84, 289–299. дои: 10.1023/A:1026070122451

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ваврика, С. Дж., Хан, К., Мехере, П., Дин, Х., Кристенсен, Б. М., и Ли, Дж. (2014). Ферменты метаболизма тирозина насекомых и млекопитающих: сравнительная перспектива. Наука о насекомых. 21, 13–19. дои: 10.1111/1744-7917.12038

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Видаль Л., Пинсах Дж., Стриднер Г., Каминал Г. и Феррер П. (2008). Разработка безантибиотической системы селекции плазмид на основе ауксотрофии глицина для сверхпродукции рекомбинантного белка в Escherichia coli . J. Биотехнология. 134, 127–136. doi: 10.1016/j.jbiotec.2008.01.011

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Уильямс, Р.Ф. (1994). Агенты на основе меланина для улучшения изображения . Патент США № 5 310 539.

Академия Google

Wogelius, R.A., Manning, P.L., Barden, H.E., Edwards, N.P., Webb, S.M., Sellers, W.I., et al. (2011). Следы металлов как биомаркеры пигмента эумеланина в летописи окаменелостей. Наука 333, 1622–1626. doi: 10.1126/science.1205748

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Янофски К., Хорн В., Боннер М.и Стасёвски, С. (1971). Полярность и функции ферментов у мутантов первых трех генов триптофанового оперона Escherichia coli . Генетика 69, 409.

Реферат PubMed | Академия Google

Zhang, F., Kearns, S.L., Orr, P.J., Benton, M.J., Zhou, Z., Johnson, D., et al. (2010). Окаменелые меланосомы и окраска меловых динозавров и птиц. Природа 463, 1075–1078. doi: 10.1038/nature08740

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Чжао, С.Х. и Тонг-Суо, Массачусетс (2012). Высокий выход продукции меланина штаммом Rhizobium sp. R 593 в жидком состоянии брожения. Азиатская J. Chem. 24, 335–338.

Академия Google

Флавоноиды увеличивают выработку меланина и снижают пролиферацию, миграцию и инвазию клеток меланомы путем блокирования эндолизосомных/меланосомных TPC2

Эксперименты с эндолизосомной заплатой-зажимом

Эксперименты с эндолизосомной заплатой-зажимом проводили, как описано ранее 6,14,23,25,29 ,30 .Вкратце, для записи всего-LE/LY вручную патч-зажим клетки обрабатывали 1 мкМ вакуолина (клетки HEK293: в течение ночи) в инкубаторе при 37 °C с 5% CO 2 . Соединение было вымыто перед экспериментом с патч-зажимом. Токи регистрировали с помощью патч-клеммы усилителя EPC-10 (HEKA, Lambrecht, Германия) и программного обеспечения для сбора данных PatchMaster (HEKA). Данные были оцифрованы на частоте 40 кГц и отфильтрованы на частоте 2,8 кГц. Быстрые и медленные емкостные переходные процессы компенсировались схемой компенсации усилителя ЭПК-10.Все записи были получены при комнатной температуре и проанализированы с использованием программного обеспечения для сбора данных PatchMaster (HEKA) и OriginPro 6.1 (OriginLab). Регистрирующие стеклянные пипетки были полированными и имели сопротивление 4–8 МОм. Во всех экспериментах использовались перемычки из соляного агара для соединения эталонной проволоки Ag-AgCl с раствором ванны для минимизации смещения напряжения. Потенциал жидкостного перехода исправлен. Для применения малых молекул соединения добавляли непосредственно к эндолизосомам с заплатами, чтобы либо вызвать, либо ингибировать ток.Цитоплазматический раствор полностью заменяли цитоплазматическим раствором, содержащим соединение. Амплитуды тока при -100 мВ были извлечены из отдельных записей пилообразного тока. Если не указано иное, цитоплазматический раствор содержал 140 мМ K-MSA, 5 мМ KOH, 4 мМ NaCl, 0,39 мМ CaCl 2 , 1 мМ EGTA и 10 мМ HEPES (pH доводили с помощью KOH до 7,2). Люминальный раствор содержал 140 мМ Na-MSA, 5 мМ K-MSA, 2 мМ Ca-MSA, 2 мМ, 1 мМ CaCl 2 , 10 мМ HEPES и 10 мМ MES (pH доводили метансульфокислотой до 4.6). Во всех экспериментах каждые 5 с применялось линейное изменение напряжения в течение 500 мс от −100 до  + 100 мВ. Весь статистический анализ был выполнен с использованием программного обеспечения OriginPro9.0 и GraphPadPrism.

Культура клеток

Клетки HEK293, стабильно экспрессирующие hTPC2-YFP или hTRPML1-YFP, использовали для экспериментов с пэтч-клэмпом. Клетки поддерживали в среде DMEM с добавлением 10% FBS, 100 ЕД пенициллина/мл и 100 мкг стрептомицина/мл. Клетки высевали на покровные стекла за 24–48 ч до эксперимента. Клетки временно трансфицировали препаратом Turbofect (Fermentas) в соответствии с протоколами производителя и использовали, например,грамм. для конфокальной визуализации или экспериментов с пэтч-клэмпом через 24–48 ч после трансфекции. Клетки обрабатывали соединениями при 37 °C и 5% CO 2 . Клеточные линии MNT-1 WT и TPC2 -/- KO выращивали в среде DMEM с высоким содержанием глюкозы, дополненной 20% FBS, 10% AIM-V, 1% пируватом натрия (Thermo Fisher) и 1% пенициллином-стрептомицином. (Сигма-Олдрич). Клетки B16F10 выращивали в среде DMEM с высоким содержанием глюкозы с добавлением 10% FBS (Thermo Fisher), 1% L-глутамина и 1% пенициллина-стрептомицина (Sigma-Aldrich).Линии клеток поддерживали при 37 °C в инкубаторе с 5% CO 2 .

Скрининг меланина в клетках меланомы мыши B16F10

Определение содержания меланина проводили, как описано ранее, с некоторыми модификациями 31 . Вкратце, клетки B16F10 с плотностью 5 × 10 3 клеток/лунку в 96-луночном планшете культивировали и инкубировали с различными растительными экстрактами или флавоноидами в концентрации 20 мкг/мл или 20 мкМ соответственно в течение 4–5 дней. Содержание меланина измеряли с помощью устройства для считывания микропланшетов (Anthros, Дарем, Северная Каролина, США) и рассчитывали на основе соотношения OD между обработанными и необработанными клетками.

Анализы содержания меланина и активности тирозиназы

MNT-1 WT и TPC2 -/- Клеточные линии KO выращивали, как описано в разделе о культурах клеток. После достижения 80–90% слияния клетки пересевают (каждые 2–3 дня). Форсколин (Sigma-Aldrich Cas Nr. 66,575,299) использовали в качестве положительного контроля, а 4-бутилрезорцин (TYR-inh., Sigma-Aldrich, Cas Nr.18979-61-8) — в качестве отрицательного контроля. Для экспериментов клетки высевали в 6-луночные планшеты по 200000 клеток на лунку.Клетки инкубировали в течение 72 часов при 37 °C и 5% CO 2 . После удаления культуральной среды клетки дважды промывали в DPBS, затем клетки собирали с помощью клеточного скребка. Клетки центрифугировали при 3000 об/мин в течение 5 мин. Осадки лизировали буфером RIPA, дополненным коктейлем 1% ингибитора протеазы (Sigma-Aldrich) и 1% ингибитора фосфатазы (Sigma-Aldrich) при 4°C (на льду) в течение 45 мин. Клетки центрифугировали при 12 000 об/мин в течение 15 мин (4 °C), затем удаляли надосадочную жидкость и определяли содержание белка с помощью реагента с красителем белка (Bio-Rad; стандартная кривая белка (BSA) 0, 1, 3, 5, 8, 10, 12, 15 мкг/мл).Осадки клеток растворяли в 250 мкл 1 н. NaOH/10% ДМСО и инкубировали при 80 °C в течение 2 часов. После центрифугирования при 12 000 об/мин в течение 10 мин супернатанты удаляли в 96-луночный планшет. Поглощение измеряли (в трех повторах, каждый) при 405 нм с использованием устройства для считывания микропланшетов (Tecan, Infinite M200 PRO). Содержание меланина нормализовали к содержанию общего белка.

Для измерения активности тирозиназы 100 мкг белка из супернатанта после лизиса RIPA переносили в 96-луночный планшет и добавляли 50 мкл 15 мМ L-DOPA (Sigma) (общий объем доводили до 100 мкл с помощью PBS, pH 6). .8 (с поправкой на 1 н. HCl)). После 30 минутной инкубации при 37 °C определяли образование дофахрома путем измерения поглощения при 475 нм с помощью устройства для считывания микропланшетов (Tecan, Infinite M200 PRO). Активность тирозиназы (%) рассчитывали следующим образом: OD475 (образец) × 100/OD475 (контроль).

Анализ клеточной пролиферации

Анализ клеточной пролиферации проводили в 96-луночных плоскодонных титрационных микропланшетах (Sarstedt) в трех экземплярах и при плотности клеток 5 × 10 3 на лунку. Клетки высевали в течение ночи, включая клетки, измеренные в качестве контроля нулевого дня.Скорость пролиферации оценивали путем инкубации с реагентом CellTiter-Blue (Ctb, Promega, Mannheim, Germany) в течение 3 часов. Флуоресценцию измеряли с помощью устройства для считывания микропланшетов при 560Ex/600Em (Tecan, Infinite M200 PRO).

Анализ заживления/миграции ран

Анализ заживления ран проводили с использованием 12-луночных планшетов (Sarstedt) при плотности 120 000 клеток/лунку. Клетки инкубировали в течение ночи и делали царапину с помощью желтого наконечника пипетки. Снимки были сделаны через 0, 24, 48 и 72 часа с помощью инвертированного микроскопа (Leica DM IL LED) и с использованием камеры микроскопа (Leica DFC 3000 G).Площадь поврежденных клеток определяли количественно с использованием программного обеспечения ImageJ 1.52a и вычитали из значений 0 ч.

Анализ инвазии

Камеры Transwell в 24-луночных проницаемых опорных планшетах (Corning, № 3421) покрывали матрицей базальной мембраны Corning Matrigel (Corning, № 354234) на 1,5 часа. В общей сложности 3 × 10 4 клеток MNT-1 высевали поверх камер в бессывороточной среде и проводили прямую стимуляцию соединениями. Нижний отсек содержал хемотаксический градиент, среду с 10% FBS.Клеткам давали возможность мигрировать в течение 24 часов, а затем фиксировали и окрашивали кристаллическим фиолетовым, содержащим метанол. Неинвазированные клетки удаляли ватными палочками и делали снимки нижней стороны мембраны с помощью инвертированного микроскопа (Olympus CKX41) и камеры Olympus SC50 (Olympus). Количество зараженных клеток определяли количественно с использованием программного обеспечения ImageJ 1.52a.

Вестерн-блоттинг

Вестерн-блоттинг эксперименты проводили, как описано ранее 32 . Вкратце, клетки дважды промывали 1 × PBS и собирали осадки.Полные клеточные лизаты получали растворением в 10 мМ TRIS HCl, pH 8,0, и 0,2% SDS с добавлением ингибиторов протеазы и фосфатазы (Sigma). Концентрации белка определяли количественно с помощью анализа Брэдфорда. Белки разделяли с помощью электрофореза в полиакриламидном геле с 10% додецилсульфатом натрия (SDS-PAGE; BioRad) и переносили на мембраны из поливинилидендифторида (PVDF; BioRad). Мембраны блокировали 5% бычьим сывороточным альбумином (Sigma) или молоком, разведенным в трис-буферном солевом растворе с добавлением 0.5% Tween-20 (TBS-T) в течение 1 ч при комнатной температуре (КТ), затем инкубировали с первичным антителом при 4 °C в течение ночи. Затем мембраны промывали TBS-T и инкубировали с конъюгированным с пероксидазой хрена (HRP) вторичным антителом против мыши или против кролика (Cell Signaling Technology) при комнатной температуре в течение 1 часа. Затем мембраны промывали и проявляли путем инкубации с субстратом Immobilon Crescendo Western HRP (Merck) и с использованием системы визуализации Odyssey (LI-COR Biosciences). Количественную оценку проводили с использованием ненасыщенных изображений на ImageJ 1.ПО 52а. Блоты вырезали перед гибридизацией с антителами против винкулина, GAPDH или актина. Использовали следующие антитела: Phospho-p44/42 MAPK (Erk1/2) (Thr202/Tyr204) (Cell Signaling Technology, 1:1000, № по каталогу 9106), p44/42 MAPK (Erk1/2) (Thr202/Tyr204). ) (Cell Signaling Technology, 1:1000, кат. №9102), Phospho-Akt (Ser473) (Cell Signaling Technology, 1:1000, кат. №4058), Akt (Cell Signaling Technology, 1:1000, кат. № 9272), MITF (Santa Cruz Biotechnology, 1:1000, кат. #Sc-71588), MITF (Cell Signaling Technology, 1:1000, кат.№97800), MITF (Abcam, 1:1000, кат. №ab12039), GSK-3β (Cell Signaling Technology, 1:1000, кат. №9832), CREB и pCREB (Cell Signaling Technology, 1:1000, кат. #9197S и #9198S), ß-актин (Santa Cruz Biotechnology, 1:1000, кат. #Sc-47778), винкулин (Cell Signaling Technology, 1:1000, кат. #4650), GAPDH (Cell Signaling Technology, 1 :1000, № по каталогу 5174S), Anti-Mouse (технология сотовой сигнализации, 1:10 000, № по каталогу 7076) и Anti-Rabbit (технология сотовой сигнализации, 1:10 000, № по каталогу 7074).

Выделение РНК и количественная ПЦР

Тотальную РНК выделяли из клеток с использованием набора RNeasy Mini Kit (Qiagen).Обратную транскрипцию выполняли с использованием набора для синтеза кДНК Revert First Strand (Thermo Fisher). Количественную ПЦР с обратной транскрипцией в реальном времени (кПЦР) проводили в трех повторностях для каждого образца с использованием LightCycler 480 SYBR Green I Master и с использованием машины LightCycler 480 II (Roche Life Science) в соответствии с рекомендованными параметрами. В качестве гена домашнего хозяйства использовали HPRT. Использовали следующие наборы праймеров для человека: набор праймеров для тирозиназы A: fw: 5′-GTCTGTAGCCGATTGGAGGA-3′; rev: 5′-TGGGGTTTCTGGATTTGTCAT-3′.Набор тирозиназных праймеров B: fw: 5′-TGACAG TATTTTTGAGCAGTGG-3′; ред.: 5′-GGTGCATTGGCTTCTGGATA-3′.

Растительный материал

Коммерчески доступная сердцевина Dalbergia parviflora была приобретена в аптеке лекарственных трав Chao Krom Poe в Бангкоке в 2004 году. Phru To Daeng», который представляет собой торфяно-болотный лес в районах Муанг Наратхиват, Так Бай, Су-нгай Колок и Су-нгай Пади провинции Наратхиват в Южном Таиланде (06°04′33.8″ с.ш., 101° 57′ 49,3″ в.д.). Сбор данных в этом районе осуществлялся с разрешения и под руководством Национального исследовательского совета Таиланда (NRCT) и соответствовал Заявлению о политике МСОП в отношении исследований с участием видов, находящихся под угрозой исчезновения и сохранения (1989 г.) и Конвенции о международном Торговля видами диких фавнов и флоры, находящимися под угрозой исчезновения (СИТЕС, 1975). Растение было идентифицировано доктором Чавалитом Нийомдхамом из Лесного гербария Национального парка, Департамента дикой природы и охраны растений, Бангкок, Таиланд.Образец ваучера (номер 68143) 33,34 был депонирован в The Forest Herbarium, Бангкок, Таиланд.

Экстракция и выделение флавоноидов

Высушенную сердцевину D. parviflora (2 кг) трижды экстрагировали МеОН (3 × 20 л) при комнатной температуре. Экстракты объединяли и концентрировали при пониженном давлении при 60°C с получением 910 г вязкой массы. Часть этого концентрированного экстракта (150 г) хроматографировали на колонке с силикагелем (12 × 40 см) и фракционировали с использованием хлороформа-MeOH (98:2, 96:4, 94:6, 90:10, по 15 л каждый). .Фракции по 500 мл собирали и объединяли с помощью анализа ТСХ, чтобы получить в общей сложности 26 объединенных фракций. Очистка этих фракций, как сообщалось ранее 33,34 , давала различные флавоноидные соединения, как показано на рис. S1. Очистка фракции 14 (8,9 г) с помощью ВЭЖХ на колонке Develosil-Lop-ODS (5 × 100 см, скорость потока 45 мл/мин с детектированием при 205 нм), с MeCN-H 2 O (30:70 ) в качестве элюента давала МТ-8 (пратенсеин) (715 мг) ( t R  = 220 мин).Очистка фракции 6 (3,1 г) с помощью ВЭЖХ на колонке Develosil-Lop-ODS (5 × 100 см, скорость потока: 45 мл/мин с детектированием при 205 нм), с MeCN-H 2 O (32:68). ) в качестве элюента давал UM-9 (дуартин) (39 мг) ( t R  = 240 мин). Оба соединения были идентифицированы путем сравнения их спектроскопических данных с опубликованными значениями 35,36 .

Аналитические данные ЯМР

Спектры ЯМР были измерены на JEOL alpha 400 ( 1 H-ЯМР: 400 МГц, 13 C-ЯМР: 100.4 МГц) спектрометр 33,34 . Спектры ЯМР были измерены в дейтерированных растворителях, и химические сдвиги указаны в δ (м.д.) относительно внутреннего стандарта тетраметилсилана (ТМС) или пика растворителя при 35 °C соответственно. Значения J даны в герцах. Множественности обозначаются следующим образом: s = синглет, d = дублет, t = триплет, q = квартет, m = мультиплет. Распределение сигналов проводили на основе спектров 1 H, 13 C, HMBC, HMQC и COSY. Обнаруженные гетероядерные корреляции были измерены с использованием HMQC (оптимизировано для 1 J CH  = 145 Гц) и HMBC (оптимизировано для 3 J  J CH  Гц) с импульсным полем с градиентом  8 8 Гц. .Спектры FABMS получали на JEOL JMS-700 с использованием матрицы м -нитробензилового спирта. Оптическое вращение измеряли на цифровом поляриметре JASCO DIP-360. Колоночную хроматографию (КХ) проводили с порошкообразным силикагелем (Kieselgel 60, 230–400 меш, Merck KGaA, Дармштадт, Германия) и стирол-дивинилбензолом (Diaion HP-20, размер частиц 250–800 мкм, Mitsubishi Chemical Co., Ltd.). .). Для ТСХ использовали предварительно покрытые стеклянные пластины силикагеля (Kieselgel 60, F254, Merck Co., Ltd., Япония) и RP-18 (F254S, Merck KGaA).Пятна ТСХ визуализировали в УФ-свете при длине волны 254 нм и опрыскивали разбавленным H 2 SO 4 с последующим нагреванием. Разделение ВЭЖХ в основном выполняли с помощью насоса JASCO модели 887-PU, а изоляты обнаруживали с помощью детектора с переменной длиной волны 875-UV. Колонки с обращенной фазой для препаративного разделения (колонка Develosil Lop ODS, 10–20 мкм, 5 × 50 × 2 см; Nomura Chemical Co. Ltd., Аити, Япония; скорость потока 45 мл/мин с детектированием при 205 нм) и полупроводниковые -препаративное разделение (Capcell Pak ODS, 5 мкм, 2 × 25 см, Shiseido Fine Chemiacls Co.Ltd, Токио, Япония; скорость потока 9 мл/мин с обнаружением при 205 нм). МТ-8 (пратенсеин): аморфный порошок; 1 H-ЯМР (400 МГц, (CD 3 ) 2 CO) δ (м.д.) = 13,03 (с, 1H, 5-H), 8,18 (с, 1H, 2-H), 7,13 ( г, J  = 2 Гц, 1H, 2′-H), 7,04 (дд, J  = 9, 2 Гц, 1H, 6′-H), 6,99 (д, J  = 9 Гц, 1H , 5′-H), 6,41 (д, Дж  = 2 Гц, 1H, 8-H), 6,28 (д, Дж  = 2 Гц, 1H, 6-H), 3,87 (с, 3H, 4 ′-ОСН 3 ). 13 С-ЯМР (100.4 МГц, (CD 3 ) 2 CO) δ (м.д.) = 181,6 (C-4), 165,0 (C-7), 164,0 (C-5), 159,1 (C-9), 154,5 (C -2), 165,0 (С-7), 148,6 (С-4′), 147,3 (С-3′), 125,0 (С-1′), 121,3 (С-6′), 124,0 (С-3), 112,3 (С-5′), 106,3 (С-10), 99,9 (С-6), 94,5 (С-8), 56,4 (С-4′-ОСН 3 ). FABMS m/z 323 [MNa] + (рассчитано для C 16 H 12 O 6 Na). УМ-9 (дуартин): морфный порошок; 1 H-ЯМР (400 МГц, (CD 3 ) 2 CO) δ (м.д.) = 6.70 (д, J  = 9 Гц, 1H, 5′-H), 6,65 (д, J  = 9 Гц, 1H, 6′-H), 6,64 (д, J  = 9 Гц, 1H , 5-H), 6,40 (д, J  = 9 Гц, 1H, 6-H), 4,29 (ддд, J  = 10, 3, 2 Гц, 1H, 2 экв-H), 3,96 (т , J  = 10 Гц, 1H, 2ax-H), 3,47 (дддд, J  = 11, 10, 5, 3 Гц, 1H, 3-H), 2,91 (дд, J  = 16, 11 Гц, 1H, 4ax-H), 3,47 (ddd, J  = 16, 5, 2 Гц, 1H, 4 экв-H), 3,87 (с, 3H, 2′-OCH 3 ), 3,81 (с , 3H, 4′-ОСН 3 ), 3.77 (с, 3Н, 8-ОСН 3 ). C-ЯМР (100,4 МГц, (CD 3 ) 2 CO) δ (м.д.) = 149,4 (C-7), 148,5 (C-9), 148,3 (C-4′), 146,5 (C-2 ′), 140,2 (С-3′), 136,6 (С-8), 128,0 (С-1′), 124,5 (С-6), 117,2 (С-6′), 115,4 (С-10), 108,4 ( С-6), 107,9 (С-5′), 70,8 (С-2), 32,5 (С-2), 32,1 (С-3), 60,7 (С-8 ОСН 3 ), 60,5 (С-2 ‘ОСН 3 ), 56,4 (С-4′ ОСН 3 ). [α] D  + 15,4° ( c 1,0, CHCl 3 ). FABMS m/z 355 [MNa] + (рассчитано для C 18 H 20 O 6 Na).

Чудесный меланин: основа для пигментации

Одна из самых крутых вещей в людях — это то, насколько мы различны внешне: у нас широкий спектр цветов глаз, волос и кожи, которые делают нас уникальными! Хотя эти черты регулируются множеством разных генов, у них есть одна очень важная общая черта: пигмент под названием меланин. В этом сообщении блога мы рассмотрим, как различное количество и типы меланина определяют цвет ваших глаз и волос, почему волосы людей седеют с возрастом и как меланин защищает кожу от ультрафиолетовых лучей (способствуя нашей способности загорать!).

 

Цвет глаз зависит от количества меланина в радужной оболочке

Подобно цвету волос и кожи, цвет глаз в конечном счете зависит от того, сколько меланина присутствует в определенной структуре — в данном случае в радужной оболочке глаза. Радужная оболочка представляет собой тонкий диск, подвешенный между роговицей и собственно хрусталиком глаза. Он нужен не только для того, чтобы выглядеть красиво — он регулирует количество света, проходящего через зрачок глаза, регулируя размер зрачка.

Радужная оболочка глаза в Атласе анатомии человека.

Высокая концентрация меланина придает радужной оболочке коричневый цвет, и только в этой категории существует множество вариаций, от светло-коричневого до почти черного! Умеренная концентрация меланина приводит к зеленоватой или ореховой радужке, а низкая концентрация меланина приводит к синей радужке.

Вы когда-нибудь задумывались, почему цвет глаз детей меняется после рождения или почему некоторые дети рождаются с голубыми или серыми глазами, которые со временем становятся карими? Ответ, еще раз, меланин! (Кстати, многие дети рождаются с карими глазами с самого начала.Это миф, что все дети рождаются с голубыми глазами.)

Меланоциты — это особые клетки, секретирующие меланин — мы будем много говорить о них в этой статье. Если у кареглазого человека в младенчестве были голубые глаза, это происходит потому, что меланоцитам в глазах младенца может потребоваться некоторое время (обычно около года или около того), чтобы выработать уровень меланина, который в конечном итоге приведет к их «истинному» цвету. цвет глаз.

Что определяет, сколько меланина будут производить клетки радужной оболочки? Вероятно, вас не удивит, что цвет глаз — это черта, которая передается от родителей к детям.Есть два гена, которые в значительной степени вовлечены в цвет глаз: OCA2 и HERC2. Их можно найти близко друг к другу на хромосоме 15. По сути, ОСА2 содержит инструкции по созданию белка, который участвует в созревании меланосом, структур внутри клеток, которые производят и хранят меланин. Определенная последовательность HERC2 регулирует активность OCA2.

Medline Plus перечисляет несколько других генов, связанных с цветом глаз, включая ASIP, IRF4, SLC24A4, SLC24A5, SLC45A2, TPCN2, TYR и TYRP1.Основываясь на результатах недавнего GWAS (исследование полногеномных ассоциаций), потенциально может быть еще больше генов, чья активность влияет на цвет глаз (мы говорим о более чем 50!).

 

Различные уровни эумеланина и феомеланина создают разные цвета волос

Каждый волос на теле человека состоит из трех основных частей: корня, фолликула и стержня. Стержень — это видимая часть волоса, состоящая из мертвых ороговевших клеток. Корень — это место, где производятся новые клетки, толкающие стержень волоса вверх и наружу.Фолликул представляет собой оболочку, содержащую корень и часть стержня, расположенную ниже поверхности кожи.

Меланоциты в корне волоса. Иллюстрация от A&P.

Нижняя часть корня в форме луковицы содержит меланоциты (точно так же, как радужка и сама кожа). Эти клетки производят два разных типа меланина — эумеланин и феомеланин, и цвет волос человека зависит от типа и количества меланина, который вырабатывают меланоциты в корне. Как и в случае с цветом глаз и кожи, большее количество меланина обычно приводит к более темному пигменту.Большое количество эумеланина приводит к черным волосам, в то время как умеренное количество эумеланина приводит к коричневым волосам. Светлые волосы являются результатом очень малого количества эумеланина. Феомеланин определяет, насколько рыжими будут волосы, поэтому у человека с ярко-рыжими волосами, скорее всего, есть меланоциты, которые производят много этого типа меланина и немного эумеланина.

Активность определенных генов отвечает за уровни каждого типа меланина, продуцируемого этими меланоцитами. MC1R — наиболее изученный ген, влияющий на цвет волос.Он содержит инструкции по созданию белка (рецептора меланокортина 1), который стимулирует клетки вырабатывать эумеланин.

Цвет волос не является постоянным на протяжении всей жизни человека. Например, гормоны могут изменить активность вышеупомянутых меланоцитов и вызвать изменение цвета волос — обычно это происходит, когда у ребенка или подростка меняется цвет волос. Многие люди предпочитают красить волосы, чтобы изменить их цвет: если у них темные волосы (содержащие много меланина), они часто «обесцвечивают» их, используя химические вещества, чтобы сделать их пигменты бесцветными, прежде чем наносить новый цвет.

Как и все остальное тело, меланоциты стареют. У молодых людей они заменяются почти сразу, но этот процесс замены замедляется по мере того, как мы становимся старше. Когда меланоцит стареет и не заменяется, он не передает свои пигменты должным образом, и в результате появляются седые или белые волосы.

 

Меланин защищает кожу от УФ-излучения

Когда дело доходит до изменчивости и широкого спектра влиятельных генов, цвет кожи является сложным признаком. Тем не менее, производство меланина меланоцитами лежит в основе того, что заставляет кожу казаться светлее или темнее.

Меланоциты. Изображение из Атласа анатомии человека.

Основное назначение меланина в коже — защищать ее от УФ-лучей. Хотя у всех людей примерно одинаковая концентрация меланоцитов в эпидермисе (самом внешнем слое) кожи, количество вырабатываемого ими меланина может сильно различаться в зависимости от генов человека, а также от воздействия солнца.

Меланоциты в эпидермисе более темной кожи (верхнее изображение) и более светлой кожи (нижнее изображение).
Эти обновленные модели микроанатомии кожи скоро появятся в Атласе анатомии человека!

Было обнаружено, что более 20 генов влияют на изменение цвета кожи, и многие другие связаны с выработкой меланина в целом.И когда я говорю много, я не преувеличиваю — в статье 2010 года указано, что общее количество генов, прямо или косвенно влияющих на цвет кожи, составляет около 150!

У многих людей воздействие солнца вызывает выработку меланина в коже, что приводит к загару. Это способ их кожи защитить себя от будущих повреждений ультрафиолетом, хотя стоит упомянуть, что только потому, что у вас есть загар, это не означает, что вы не можете получить солнечный ожог (извините). Некоторые люди чаще получают солнечные ожоги, чем загорают, что, вероятно, зависит от наших генов — исследование GWAS, проведенное в 2018 году, связало около 20 генов со склонностью людей к загару.

Люди с более темной кожей имеют немного более естественную защиту от ультрафиолета, чем люди со светлой кожей, но все мы все равно можем получить солнечные ожоги и рак кожи, поэтому всем важно защищать свою кожу солнцезащитным кремом и защитной одеждой, если они планируют находиться на улице в течение длительного времени. долго.

В конечном счете, меланин, а также гены и факторы окружающей среды, которые регулируют его выработку в наших клетках, играют важную роль в придании каждому из нас уникального внешнего вида. Теперь это один мультиталантливый пигмент!

Хотите узнать больше об анатомии и физиологии глаз, волос и кожи? Ознакомьтесь с этими соответствующими сообщениями в блоге VB: 


Обязательно подпишитесь на  Visible Body  Блог, чтобы узнать больше об анатомии!

Вы инструктор? У нас есть отмеченные наградами 3D-продукты и ресурсы для вашего курса анатомии и физиологии! Узнайте больше здесь.

Меланин: биофизиология меланоцитов полости рта и физиологическая пигментация полости рта | Head & Face Medicine

В то время как при физиологических условиях количество меланоцитов в эпителии полости рта одинаково, независимо от расовой/этнической принадлежности[1], цвет слизистой оболочки полости рта различается у разных людей и определяется несколькими факторами, включая количество и меланогенез. активность меланоцитов в базальном клеточном слое эпителия, различия в количестве, размере и распределении меланосом, различия в типе меланинов и маскирующий эффект сильно кератинизированного эпителия [2-4].Изменения меланиновой окраски слизистой оболочки полости рта будут определяться на фоне степени васкуляризации тканей и уровня гемоглобина в крови [2].

Меланоциты, содержащие меланин, присутствуют в базальном клеточном слое эпителия даже на тех участках слизистой оболочки полости рта, где нет видимых признаков меланиновой пигментации [5–7]. Оральные меланоциты могут продуцировать или не продуцировать меланин, но, как и в случае с кожей, количество продуцируемого ими меланина определяется генетически [2, 6].Существуют значительные различия в степени пигментации меланина между людьми разных расовых/этнических групп и между людьми одной расовой/этнической группы, и эти различия являются нормальными [2, 8, 9]. Физиологическая/расовая меланиновая пигментация слизистой оболочки полости рта часто встречается у чернокожих [7] и чаще встречается у темнокожих белых (кавказцев), чем у светлокожих белых [10]. Меланиновая пигментация слизистой оболочки полости рта может быть пятнистой или однородной и чаще всего поражает десны [9].

Меланоциты продуцируют меланин в мембраносвязанных органеллах, называемых меланосомами. Меланосомы имеют все белки и ферменты, необходимые для биосинтеза меланина, для поддержания структуры меланосомы и для созревания незрелой пре-меланосомы в зрелую меланосому, продуцирующую меланин [11, 12]. По мере внутриклеточного созревания меланосомы транспортируются через микротрубочки к поверхности удлиненных дендритов меланоцитов, откуда они в конечном итоге переносятся в кератиноциты в «меланиновой единице кератиноцитов» [11, 12].В кератиноцитах меланин преимущественно локализуется внутри ядер, образуя защитные барьеры, известные как надъядерные «колпачки», ориентированные таким образом, что они защищают ядерную ДНК от ультрафиолетового (УФ) излучения [13].

Нефизиологические изменения меланиновой пигментации слизистой оболочки полости рта связаны с генетическими, метаболическими, эндокринными, химическими или физическими факторами, инфекционными агентами и воспалительными или неопластическими процессами [6, 9]. Сообщалось, что примерно в 30% случаев меланома слизистой оболочки полости рта развивается в местах гиперпигментации [2, 14].Однако природа гиперпигментированной премеланомы неясна.

Большая часть наших знаний о регуляции и биологии меланоцитов полости рта основана на данных, полученных в результате исследований эпидермальных меланоцитов, которые гистологически и ультраструктурно сходны [15, 16]. Однако при экстраполяции данных эпидермальных меланоцитов необходимо иметь в виду, что, как правило, меланоциты слизистой оболочки полости рта в физиологических условиях считаются менее метаболически активными [6]. Тем не менее, в некоторых случаях меланоциты ротовой полости могут быть по своей природе метаболически активными, а в других случаях увеличение метаболической активности может быть ответом на внешние триггеры, такие как гормоны, воспаление или травма [6].

Целью этого краткого обзора является обсуждение некоторых аспектов биологии и физиологии ротовых меланоцитов, функции меланина и критическая оценка концепции внутриротовой физиологической пигментации.

Происхождение меланоцитов полости рта

Меланоциты представляют собой меланинпродуцирующие клетки, происходящие из нервного гребня[17]. Во время развития стволовые клетки меланоцитов мигрируют из нервного гребня в кожу и на слизистые оболочки. Активные меланоциты присутствуют в сосудистых полосках улитки, в лептоменингеальных оболочках, в черной субстанции и голубом пятне головного мозга, а также в сердце, где они играют ряд пока плохо определенных ролей [13, 18].

Стволовые клетки меланоцитов обладают способностью к самообновлению и дифференцировке и, таким образом, могут поддерживать популяцию зрелых меланоцитов. В эпидермисе стволовые клетки меланоцитов находятся в области выпуклости волосяных фолликулов [19, 20], но ниша, в которой они находятся в слизистой оболочке полости рта, неизвестна.

Стволовые клетки эпидермального меланоцита дают начало временным амплифицирующимся предшественникам меланоцитов, которые оседают без ниши стволовых клеток, где они дифференцируются в зрелые меланоциты, продуцирующие меланоциты [19, 21-24].Фактор стволовых клеток (SCF) и его сигнальные пути тирозинкиназного рецептора C-kit имеют решающее значение для развития эпидермальных меланоцитов во время эмбриогенеза [17, 20], сигнальные пути Notch необходимы для поддержания взрослых стволовых клеток меланоцитов и, следовательно, для гомеостаза меланоцитов [17, 20]. 20], эндотелин 1 играет роль в дифференцировке предшественников меланоцитов, а фактор транскрипции, ассоциированный с микроптальмией (MITF) с его ответным элементом цАМФ, играет критическую роль в меланогенезе [25].

В коже миграция меланоцитов-предшественников из дермы к месту их конечного назначения в базально-клеточный слой эпителия опосредуется c-Kit/SCF, эндотелином 1 и 3, фактором роста гепатоцитов (HGF) и основным фактором роста фибробластов (бФГФ).Эти предшественники дермальных меланоцитов, когда они проходят через базальную мембрану, экспрессируют E-кадгерин, который позже облегчает межклеточную связь с соседними кератиноцитами в базальном клеточном слое эпителия [1]. Иногда предшественники меланоцитов на пути к эпителию могут задерживаться в собственной пластинке/дерме, и, поскольку они обладают способностью продуцировать меланин, при агрегации они образуют невусы [26]. На функциональную активность меланоцитов, как тех, что находятся в базальном клеточном слое эпителия, так и тех, которые могли быть арестованы в собственной пластинке, влияют сигналы от соседних фибробластов [13, 27, 28].

Кератиноцитарно-меланоцитарная единица

Зрелые меланоциты представляют собой удлиненные дендритные клетки, находящиеся в базальном клеточном слое эпителия. Они содержат все белки, необходимые для биосинтеза меланина и структурного созревания меланосом [12], включая триозиназу (TYR), родственные тирозиназе белки-1 (TRP-1) и TRP-2, gp 100 и меланомный антиген, распознаваемый микроорганизмами. Т-лимфоциты (MART-1) [13, 29–31].

В базальном клеточном слое эпителия соотношение меланоцитов и кератиноцитов колеблется от 1:10[30] до 1:15[6].Меланоциты и кератиноциты образуют эпидермальные меланиновые единицы, каждая единица состоит из одного меланоцита и группы примерно из 36 соседних кератиноцитов. Меланосомы, продуцируемые меланоцитами, распространяются через сеть меланоцитарных дендритных отростков в кератиноциты эпидермальной меланиновой единицы [25, 32]. Похоже, что кератиноциты в некоторой степени контролируют процесс переноса дендритных меланосом, поскольку на способность кератиноцитов фагоцитировать меланосомы влияет степень активации протеаз-активируемого рецептора 2 (PAR-2) на поверхности кератиноцитов [33]. .

Было высказано предположение, что с помощью биологических медиаторов, присутствующих в меланосомах, переносимых в кератиноциты, меланоциты могут влиять на функциональную активность кератиноцитов [13], а кератиноциты через массив паракриноподобных биологических медиаторов, которые они секретируют, обладают способностью для регуляции меланогенеза меланоцитов [13, 25, 34]. Эти медиаторы включают α-меланоцитостимулирующий гормон (α-МСГ), адренокортикотропный гормон (АКТГ), β-эндорфин, bFGF, эндотелины, HGF и SCF [35].

Однако такое механистическое описание является чрезмерным упрощением, поскольку соотношение кератиноцитов и меланоцитов различно на разных стадиях роста и развития, а во взрослом возрасте соотношение вариабельно и определяется биологическими медиаторами, секретируемыми в локальное микроокружение[33]. Кроме того, числовая плотность меланоцитов в эпителии различается на разных участках кожи или слизистой оболочки полости рта, а также между одними и теми же участками кожи или слизистой оболочки у разных людей, независимо от их расовой/этнической принадлежности [36].По-видимому, клетки Лангерганса в эпителии и фибробласты в субэпителиальной соединительной ткани играют важную роль в поддержании функциональной активности эпидермальной меланиновой единицы [30, 31, 33].

Прилипание меланоцитов к кератиноцитам осуществляется посредством плотных контактов, где они совместно экспрессируют молекулы клеточной адгезии Е-кадгерина, и посредством щелевых контактов [33]. E-кадгерин подавляет пролиферацию меланоцитов, но переключение с E-кадгерина на N-кадгерин вследствие метаболически или травматически вызванных событий в микроокружении избавляет меланоциты от подавления роста.Меланоциты, экспрессирующие N-кадгерин, могут свободно пролиферировать, мигрировать и самоагрегироваться в гнездах и проявлять долговечность [32].

Функция меланоцитов полости рта

Функции меланоцитов до конца не изучены, но ясно, что меланин, который они производят, определяет цвет кожи, волос и глаз[37] и обеспечивает защиту от стрессоров, таких как УФ-излучение , активные формы кислорода (АФК) и свободные радикалы в окружающей среде. Меланины также обладают способностью связывать ионы металлов и связывать некоторые лекарства и органические молекулы [32, 38].

Цвет кожи и, возможно, любой пигментированной части слизистой оболочки полости рта генетически определяется количеством и размером меланосом и типом меланина (эумеланин, феомеланин), который они продуцируют. Факторы окружающей среды оказывают лишь модифицирующее влияние на цвет кожи, хотя в эволюционном масштабе это влияние может иметь более глубокие последствия. Меланосомы различаются по размеру и содержат как эумеланин, так и феомеланин. Более крупный эумеланин придает коже темный цвет [33].Маленькие меланосомы, содержащие небольшое количество феомеланина, связаны со светлой кожей, а спектр размеров и количества меланосом, а также баланс эумеланина и феомеланина в меланосомах будут определять все другие цветовые вариации [32].

Поскольку синтез меланина является кислородозависимым процессом, как это ни парадоксально, он также генерирует АФК, которые могут накапливаться в меланоцитах и ​​вызывать повреждение ДНК, и фактически УФ-излучение увеличивает выработку АФК во время биосинтеза меланина и, в частности, феомеланина[39]. .Таким образом, меланин обладает как антиоксидантными, так и АФК-зависимыми цитотоксическими свойствами [18].

Хиноны и семихиноны, являющиеся промежуточными продуктами меланогенеза, являются токсичными или мутагенными и могут вызывать цитогенетическую нестабильность[40]; а L-допа, еще один промежуточный продукт меланогенеза, обладает способностью ингибировать выработку провоспалительных цитокинов Т-лимфоцитами и моноцитами, тем самым подавляя иммунный и воспалительный ответы [38, 40].

Меланины, продуцируемые меланоцитами, находящимися в слое базальных клеток десневого эпителия, обладают способностью нейтрализовать АФК, образующиеся при воспалении, вызванном зубодесневым налетом, в микроокружении пародонта [16].Интересно, что недавний отчет показывает, что маркеры воспаления десен снижены у субъектов с пигментированной десной по сравнению с субъектами с непигментированной десной, несмотря на сопоставимые уровни зубодесневого налета в обеих группах субъектов. Однако следует иметь в виду, что бороздчатый и соединительный эпителий, в отличие от ороговевшего эпителия, обычно не содержат меланоцитов [16].

Меланосомы содержат лизосомальные ферменты, включая α-маннозидазу, кислую фосфатазу, β-N-ацетилгликозаминидазу, β-галактозидазу и кислую липазу, которые могут разрушать бактерии [41].Меланин сам по себе может нейтрализовать ферменты и токсины, полученные из бактерий, и, поскольку он обладает сильными связывающими свойствами, он также может действовать как физический барьер против микроорганизмов [41]. Кроме того, меланоциты могут действовать как антигенпрезентирующие клетки, стимулировать пролиферацию Т-клеток и фагоцитировать микроорганизмы [32, 41]. Таким образом, меланоциты и их продукты обладают способностью ингибировать размножение бактериальных и грибковых микроорганизмов [41].

По мере того, как кератиноциты поднимаются через клеточные слои эпителия и отслаиваются, их меланосомные мембраны подвергаются деградации с высвобождением меланиновой «пыли», которая запутывается в кератиновых филаментах слущивающихся поверхностных клеток.Эта меланиновая пыль инактивирует патогенные химические вещества, микробные токсины и другие биологически активные молекулы[18]. Следовательно, меланоциты и меланины можно рассматривать как неотъемлемую часть врожденной иммунной системы, играющую роль в нейтрализации продуктов поверхностных бактериальных и грибковых инфекционных агентов [41].

Возможно, что с эволюционной точки зрения основная роль меланоцитов заключается не в производстве меланина, поскольку меланин не дает избирательного преимущества организмам, а в том, что производство меланина является лишь вторичной специализацией, поэтому меланоциты должны иметь другие выполнять более важные функции[13].Меланоциты кожи и, возможно, слизистой оболочки полости рта экспрессируют гены, кодирующие рилизинг-фактор кортикотропина (CRF), проопиомеланокортин (POMC), АКТГ, β-эндорфины, α-MSH и рецептор меланокортина-1 (MC1R). Эти элементы кожной меланокортиновой системы обладают способностью нейтрализовать внешние вредные агенты, опосредовать местные антимикробные и иммунные реакции, а также опосредовать локальную ноцицепцию [34, 42]. УФ-излучение индуцирует образование CRF, POMC и α-MSH кожными кератиноцитами и меланоцитами, вызывая увеличение биосинтеза меланина [43], обеспечивая защиту от солнечного излучения [13].

Полученные из меланоцитов α-МСГ, АКТГ и другие пептиды РОМС стимулируют MC1R соседних меланоцитов, активируя внутриклеточный сигнальный каскад с участием вторичного мессенджера цАМФ и MITF[34]. Путь α-MSH/MC1R/cAMP/MITF контролирует транскрипцию тирозина и поэтому необходим для меланогенеза [25], а также определяет тип и количество продуцируемого меланина [1, 13].

Регуляция меланогенеза

Меланогенез включает процесс окисления аминокислоты тирозина и производных ароматических соединений с образованием двух основных типов полимерных фенольных соединений.Крупные гранулы неправильной формы эумеланина черно-коричневого цвета и более мелкие, более правильные гранулы феомеланина желто-красного цвета [41]. Меланоциты способны продуцировать как эумеланин, так и феомеланин, а пропорция двух меланинов, продуцируемых конкретным меланоцитом, зависит от доступности тирозина, восстанавливающих агентов и типов экспрессируемых пигментных ферментов [1].

Система меланокортина через путь цАМФ/MITF может стимулировать пролиферацию недифференцированных меланоцитов, их созревание с полностью сформированными дендритными отростками и активацию меланогенеза, тем самым увеличивая образование меланина [42, 44].α-MSH обладает способностью подавлять воспалительные реакции, поскольку он может ингибировать ядерный фактор-κB (NF-κB), который регулирует экспрессию генов провоспалительных цитокинов. Таким образом, тот же биологический медиатор меланокортиновой системы, который стимулирует меланогенез, также подавляет воспалительные реакции [33].

По-видимому, эпидермальный адренергический сигнальный путь играет роль в регуляции пигментации кожи. Эпидермальные меланоциты экспрессируют α1- и β2-адренорецепторы, активация которых приводит к усилению биосинтеза меланина и одновременному увеличению количества и сложности меланоцитарных дендритов.Таким образом, путь адреналин/β2-адренорецептор/цАМФ/MITF, как и путь α-MSH/MC1R/цАМФ/MITF, обладает способностью опосредовать выработку меланина и его распределение в дендритах [44].

β-эндорфин, опиоидный пептид, отщепленный от РОМС, положительно связан с усилением пигментации кожи. Сигнальный путь β-эндорфин/μ-опиоидный рецептор/изоформа PKCβ выражен и функционально активен, опосредуя дифференцировку и созревание меланоцитов с повышенным меланогенезом и дендритностью [36, 45].Насколько нам известно, роль меланокортиновой, адренергической и опиоидной систем в отношении меланогенеза в эпителии полости рта неизвестна.

Медиаторы воспаления, такие как метаболиты гистамина и арахидоновой кислоты, запускают меланогенез [41], а воспалительные цитокины, такие как TNF-α и IL-1α, индуцируют секрецию меланогенных агентов (SCF, HGF, bFGF, эндотелины) кератиноцитами. Вместе эти агенты объясняют меланиновую пигментацию, иногда наблюдаемую в связи с воспалительными состояниями кожи или слизистой оболочки полости рта [41, 46], такими как красный плоский лишай [6] и заживление после пародонтальной хирургии [47].

Физиологическая пигментация полости рта

Изменения физиологической пигментации меланина полости рта объясняются изменениями активности меланоцитов в слое базальных клеток ротового эпителия. Такая пигментация полости рта чаще встречается у темнокожих людей независимо от их расовой/этнической принадлежности [10, 16]. Это убедительно свидетельствует о том, что физиологическая пигментация полости рта определяется генетическими факторами, связанными с меланогенезом [15]. Микроскопическое исследование физиологически пигментированных слизистых оболочек полости рта показывает повышенное содержание меланина в слое базальных клеток, а иногда и в верхней части собственной пластинки меланофагов или просто в виде внеклеточных частиц меланина [15].Эти микроскопические особенности очень похожи на те, которые обнаруживаются при меланотических пятнах и меланозе курильщика [3].

Следует различать физиологическую пигментацию полости рта и патологическую пигментацию полости рта, которые могут быть схожими по внешнему виду. Заболевания, которые можно спутать с физиологической пигментацией полости рта, включают болезнь Аддисона, нейрофиброматоз, меланотические пятна полости рта, меланому слизистой оболочки полости рта, медикаментозную пигментацию слизистой оболочки полости рта и, в гораздо меньшей степени, саркому Капоши, сосудистые мальформации и гемангиому слизистой оболочки полости рта [48]. .

Физиологическая меланиновая пигментация слизистой оболочки полости рта одинаково поражает мужчин и женщин в виде бессимптомных одиночных или множественных коричневых пятен с четко очерченными границами (рис. 1)[49]. Он может поражать любую часть слизистой оболочки полости рта (рис. 2, 3, 4), но чаще всего десну [3, 48, 50]. В деснах пигментация, когда она возникает, чаще всего билатерально-симметрична и не выходит за пределы слизисто-десневого соединения (рис. 2) [3, 8, 9, 48, 51], и в таких случаях иногда свободная десна не пигментирована (рис. 5) [3, 7, 48].Иногда поражается слизистая оболочка альвеол, и снова слизисто-десневой переход не нарушается (рис. 6). Пигментация полости рта постепенно появляется в течение первых двух десятилетий жизни [48], но больные могут не знать об этом [48, 50].

Рисунок 1

Множественные светло-коричневые пятна с четкими границами на деснах.

Рисунок 2

Физиологическая оральная пигментация десны, проявляющаяся двусторонним, симметричным, темно-коричневым изменением цвета лабиальной десны, включая маргинальную и папиллярную десну, но не выходящая за пределы слизисто-десневого соединения.

Рисунок 3

Диффузная светло-коричневая физиологическая пигментация полости рта на твердом небе.

Рисунок 4

Равномерная темно-коричнево-черная пигментация нижней губы и слизистой оболочки губ.

Рисунок 5

Физиологическая пигментация полости рта у черного мужчины: хорошо очерченная коричневая полоса на прикрепленной десне, не нарушающая слизисто-десневого соединения и не затрагивающая маргинальные/межзубные папиллярные десны. (Инородное тело вверху слева — шов после биопсии).

Рисунок 6

Светло-коричневая пигментация слизистой оболочки альвеол, не нарушающая слизисто-десневой переход.

Степень и интенсивность физиологической пигментации полости рта увеличивается с возрастом [52, 53] одновременно с увеличением количества ротовых меланоцитов [15], возможно, из-за воздействия потенциально меланогенных стимулов, таких как рецидивирующие незначительные функциональные повреждения, воспалительные состояния. , лекарства или табачный дым накапливаются[3].

Глобальная частота физиологической пигментации полости рта в различных расовых/этнических группах неизвестна; но сообщалось, что около 95% здоровых чернокожих в Соединенных Штатах страдают; что пигментация более обширна в передней, чем в задней части рта; и что при поражении десны щечные/губные поверхности пигментированы более интенсивно, чем язычные/небные поверхности [7]. В одном исследовании, проведенном в Южной Африке, сообщалось, что пигментация полости рта встречается у 98% чернокожих[54].

От восьмидесяти до ста процентов австралийских аборигенов имеют физиологическую пигментацию полости рта с одинаковым гендерным распределением[52]. Напротив, Fry и Almeyda [55] сообщили, что только около 5% белых людей в Англии имеют физиологическую пигментацию слизистой оболочки щек. В целом оказывается, что у людей с более темной пигментацией кожи более вероятно наличие физиологической пигментации полости рта[7].

Резюме

Меланоциты могут приспосабливаться и реагировать на биологические, физические и химические стимулы в своем микроокружении и, в свою очередь, могут генерировать физические и биохимические сигналы, которые могут воздействовать на это микроокружение.Меланоциты обладают способностью опосредовать антимикробные и иммунные реакции и действовать как нейроэндокринные клетки, они производят меланин, который обеспечивает защиту от стрессовых факторов окружающей среды, таких как УФ-излучение, активные формы кислорода и свободные радикалы. Почему некоторые люди более подвержены физиологической пигментации полости рта, неизвестно, но определенно это происходит преимущественно у темнокожих людей.

Как кожа определяет цвет? – Доктор Лесли Бауманн

Как кожа определяет цвет?

Пигмент меланин придает цвет нашей коже.Хотя у всех одинаковое количество меланоцитов — клеток, вырабатывающих меланин, — количество меланина, которое вырабатывает каждый меланоцит, может варьироваться от человека к человеку. Кроме того, размер органелл, в которых находится меланин, может варьироваться. Сочетание этих факторов влияет на цвет вашей кожи.

В чем разница между темной кожей и светлой кожей?

Цвет кожи темнее светлой кожи по определению. Что делает цветную кожу темнее светлой?

  1. Все цвета кожи имеют одинаковое количество меланоцитов.На каждый квадратный миллиметр кожи приходится около 3000 эпидермальных меланоцитов.
  2. Разница между темной и светлой кожей заключается в размере меланосом. Меланосомы представляют собой цветные пакеты, образованные меланоцитами. В белой коже меланосомы маленькие. У черной кожи они крупнее.
  3. Различия в пигментации также обусловлены различиями в распределении меланосом внутри кератиноцитов. Кератиноциты являются основным типом клеток кожи, которые расположены в эпидермисе.У людей с более темной кожей крупные меланосомы расходятся друг от друга. Те, у кого светлая кожа, имеют небольшие сгруппированные меланосомы внутри кератиноцитов.

ЕДИНСТВЕННАЯ разница между белой и темной кожей заключается в размере меланосом и в том, как они распределены в клетках кожи (кератиноцитах).

Так как меланин вырабатывается в коже для создания цвета? Мы можем разбить процесс на три основных шага.

1. Вырабатывается меланин.

Меланин производится способом, показанным на рисунке выше. Этот процесс зависит от фермента, известного как тирозиназа. Когда тирозиназа заблокирована, кожа не может окрашиваться. Многие осветляющие кожу ингредиенты, такие как гидрохинон, витамин С и койевая кислота, направлены на блокирование тирозиназы для лечения и предотвращения темных пятен на коже.

Количество меланина, которое вырабатывает ваша кожа, зависит не только от генетики — внешние факторы, такие как пребывание на солнце, также могут вызывать избыточную выработку меланина, что приводит к появлению темных пятен и неравномерному тону кожи.

2. Меланин упакован внутри меланосом.

После того, как меланин произведен, он упаковывается в органеллы, называемые меланосомами. Эти меланосомы продвигаются вверх по «рукам» меланоцитарной клетки и проходят через «дверной проем» в кератиноциты. Этот дверной проем называется PAR-2 ​​или рецептором 2, активируемым протеазой. 

3. Пигмент остается в кератиноцитах.

Как только пигмент меланин достигает кератиноцитов, он остается там до тех пор, пока эти клетки не отслоятся от поверхности кожи и не будут заменены новыми кератиноцитами.

Вот почему отшелушивающие ингредиенты, такие как альфа-гидроксикислоты (AHA), могут помочь в лечении темных пятен на коже. AHA, такие как гликолевая кислота, ослабляют «клей», который скрепляет кератиноциты, в результате чего старые пигментированные клетки отслаиваются с поверхности кожи.

Вкратце

Количество меланина, которое вырабатывает ваша кожа, размер меланосомных «упаковок», в которых находится меланин, и то, как пигмент меланина распределяется в клетках кожи, — все это влияет на внешний цвет вашей кожи.

Однако каждый человек, независимо от цвета кожи, имеет одинаковое количество клеток-меланоцитов, вырабатывающих меланин. Кроме того, люди с любым оттенком кожи могут страдать от солнечных лучей, поэтому ежедневное использование солнцезащитного крема является обязательным, независимо от цвета вашей кожи.

Для получения дополнительной информации о науке по уходу за кожей, а также советах и ​​рекомендациях от доктора Лесли Бауманна обязательно следите за новостями Baumann Cosmetic в Facebook, Instagram и YouTube.

© 2020 Metabeauty, Inc.

31 января 2021 г.

Характеристика меланина и оптимальные условия для продукции пигмента эндофитным грибком Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319

Abstract

Меланин – природный пигмент, вырабатываемый нитчатыми грибами.В этом исследовании эндофитный вид Spissiomyces endophytica (штамм SDBR-CMU319) продуцировал коричнево-черный пигмент в мицелии. Следовательно, пигмент экстрагировали из высушенной биомассы грибов. Затем следовали очистка пигмента, характеристика и идентификация. Физико-химические характеристики пигмента показали кислотное осаждение, солюбилизацию щелочью, обесцвечивание окислителями и нерастворимость в большинстве органических растворителей и воде. Пигмент был подтвержден как меланин на основании спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой областях, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье и анализа спектров электронного парамагнитного резонанса.Анализы элементного состава показали, что пигмент имеет низкий процент азота и, следовательно, не является 3,4-дигидроксифенилаланином меланином. Исследования ингибирования с участием специфических ингибиторов, как трициклазола, так и фталида, предполагают, что меланин грибов может быть синтезирован через 1,8-дигидроксинафталиновый путь. Исследованы оптимальные условия для образования грибкового пигмента из этого вида. Наибольший выход грибных пигментов наблюдался в глюкозо-пептонной среде дрожжевого экстракта при исходном значении рН 6.0 и при 25°С в течение трех недель культивирования. Это первый отчет о производстве и характеристике меланина, полученного из рода Spissiomyces .

Образец цитирования: Suwannarach N, Kumla J, Watanabe B, Matsui K, Lumyong S (2019) Характеристика меланина и оптимальных условий для производства пигмента эндофитным грибком, Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319. ПЛОС ОДИН 14(9): е0222187. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0222187

Редактор: Olaf Kniemeyer, Leibniz-Institut fur Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie eV Hans-Knoll-Institut, GERMANY

Поступила в редакцию: 1 9 апреля; Принято: 25 августа 2019 г .; Опубликовано: 9 сентября 2019 г.

Авторское право: © 2019 Suwannarach et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе.

Финансирование: Эта работа была поддержана: Университетом Чиангмая, Таиланд для доктора Накарина Суваннарача; Центр передового опыта в области биоразнообразия (BDC) и Управление Комиссии по высшему образованию (BDCPG2-159010) для доктора Сайсаморна Лумёнга; и Японским обществом содействия развитию науки (JSPS) в программе Core-to-Core (создание международного исследовательского ядра для новых областей биоисследований с микробами из тропических районов) для доктора.Кенджи Мацуи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Интерес к природным пигментам, полученным из микроорганизмов, продолжает расти, и было предпринято множество исследований для замены синтетических пигментов природными пигментами [1, 2]. Следовательно, возросло беспокойство потребителей относительно потенциальной долгосрочной токсичности синтетических пигментов в пищевой, косметической, фармацевтической и текстильной промышленности из-за их канцерогенности, гипераллергенности и других потенциальных токсикологических проблем [3, 4].Микробные пигменты выгодны с точки зрения их высокой доступности, стабильности и выхода, малого количества остатков и легкого сбора урожая [5, 6]. Микроорганизмы, в том числе водоросли, бактерии, грибы и простейшие, признаны потенциальными источниками различных пигментов, т.е. каротиноиды, флавины, меламины, хинины и, в частности, монасцин, фикоцианин или индиго [7, 8]. Многие микробные пигменты действуют не только как красители, но и обладают антиоксидантной, противовоспалительной и антимикробной активностью [5, 6, 8].Выбор подходящего штамма и процесса ферментации, а также выбор подходящих сред или субстратов необходимы для значительного повышения выхода пигмента [9, 10].

Меланин, нерастворимый и неперевариваемый пигмент от темно-коричневого до черного цвета со сложной молекулярной структурой, образуется в результате полимеризации индольных и фенольных соединений и широко распространен в животных, растениях и микроорганизмах [11–13]. Меланин обладает широкой биологической активностью, в том числе; антиоксидантными, радиопротекторными, терморегуляторными, химиопротекторными, противоопухолевыми, противовирусными, антимикробными, иммуностимулирующими и противовоспалительными свойствами [12–14].Некоторые микроорганизмы (бактерии и грибы) продуцируют меланин из-за своей вирулентности в ассоциациях-хозяевах и действуют против стрессов окружающей среды, например. ультрафиолетовые лучи, солнечная радиация, окислительно-опосредованные повреждения, экстремальные температуры, гидролитические ферменты, токсичность тяжелых металлов и противомикробные препараты [15–17]. Микробный меланин широко используется в косметике, фотозащитных кремах, производстве очков и иммобилизации радиоактивных отходов [12, 18, 19]. У грибов обнаружены два основных пути синтеза меланина: 3,4-дигидроксифенилаланин (ДОФА) и 1,8-дигидроксинафталин (ДГН) [12, 16, 20].Многие нитчатые грибы в родах Alternaria , Armillaria , Aspergillus , Auricularia , Cladosporium , Epicoccum , Eurotium , Magnapothe , Ochroconis , Penicillium , Phomopsis , Sporothri , Stachybotrys и Wangiella известны как продуценты меланина [21–30]. Кроме того, некоторые виды дрожжей, например. Aureobasidium pullulans , Candida albicans , Cryptococcus neoformans , Hormoconis Resinae и Kluyveromyces marxianus продуцируют меланин [16, 31–33].В этом исследовании коричнево-черный пигмент, полученный из эндофитного гриба, Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319 [34], экстрагировали из высушенной грибной биомассы. Физические и химические свойства грибкового пигмента исследовали с помощью спектрометрии поглощения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FT-IR), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и анализа элементного состава в сравнении с синтетическим стандартом ДОФА-меланин. Влияние специфических ингибиторов на путь синтеза меланина использовали для определения пути синтеза меланина у этого гриба.Кроме того, были определены оптимальные условия (культуральная среда, значение рН и температура) для продукции грибкового пигмента.

Материалы и методы

Штамм гриба

Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319, эндофитный гриб, выделенный из Balanophora fungosa J.R. Forst. Г. Форст. хранился в 15% растворе глицерина при -20°C в Лаборатории устойчивого развития биологических ресурсов факультета естественных наук Чиангмайского университета, Чиангмай, Таиланд.Из этой исходной культуры путем переноса S были получены новые культуры. Агар endophytica помещают в центр чашек с картофельно-декстрозным агаром (PDA; CONDA, Испания) и инкубируют при 25°C в темноте (рис. 1A).

Рис. 1.

Колонии Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319 на картофельно-декстрозном агаре при 25°C в течение трех недель (A). Высушенная грибковая биомасса Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319 после культивирования в картофельно-декстрозном бульоне при 25°C в течение трех недель (B).Гранулы грибкового пигмента после экстракции и очистки (С). УФ- и видимый спектры синтетического эталона ДОФА-меланина (D) и экстрагированного грибкового пигмента (E). Линейные графики с отрицательным наклоном стандарта ДОФА-меланин и экстрагированного грибкового пигмента. Стержень А и В = 10 мм, С = 5 мм.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0222187.g001

Выращивание грибной пигментной продукции

Десять грибных мицелиальных пробок (диаметром 5 мм), полученных с периферии растущей колонии на PDA при 25°C в течение трех недель, переносили в 250 мл бульона картофельной декстрозы (PDB; CONDA, Испания), pH 6.0 в каждую колбу Эрленмейера на 500 мл после автоклавирования при 121°С в течение 15 мин. Культивирование проводили в темноте при 25°С при встряхивании со скоростью 125 об/мин на поршневой качалке в течение трех недель. После инкубации культуры центрифугировали при 11000 об/мин в течение 15 мин для сбора мицелия грибов. Грибной мицелий высушивали при 60°С в течение 48 ч, после чего охлаждали в эксикаторах в течение 20 мин перед взвешиванием и хранили при 4°С в темноте.

Экстракция и очистка грибкового пигмента

Экстракцию и очистку пигмента из высушенной грибковой биомассы проводили по методу, описанному De la Rosa et al.[27] и Rajagopal et al. [29] с некоторыми изменениями. Грибной пигмент, полученный из 1 г высушенной грибной биомассы, растворяли в 5 мл 1 моль/л КОН, выдерживали 48 ч и автоклавировали (20 мин при 121°С). Затем смесь центрифугировали при 5000 об/мин и полученный супернатант подкисляли 2 моль/л HCl до pH 2,5. Далее проводили центрифугирование при 5000 об/мин в течение 5 мин для сбора осадка, трижды промывали деионизированной водой, подвергали диализу и сушили при 60°С в течение 48 ч. Осадок промывали хлороформом, этилацетатом и этанолом.Этот осадок (грибковый пигмент) хранился при температуре -20°C до будущего использования.

Характеристика грибкового пигмента

Физические и химические свойства пигмента были определены в результате предыдущих исследований [25, 29, 35]. Растворимость экстрагированного грибкового пигмента и стандарта синтетического ДОФА-меланина (Sigma, США) проверяли с использованием дистиллированной воды, 1 моль/л КОН, 1 моль/л NaOH, 100 ммоль/л боратного буфера (рН 8,0), 1 моль/л. NaCl, метанол, абсолютный этанол, ацетон, ацетонитрил, бензол, 1-бутанол, этилацетат, хлороформ, петролейный эфир и 2-пропанол.Определяли осаждение в 1 моль/л HCl и 1% (мас./об.) FeCl 3 . Определены реакции с окислителями (30% растворы перекиси водорода и 10% растворы гипохлорита натрия).

Обнаружение и количественное определение грибкового пигмента

Спектроскопический анализ.

Полученный грибковый пигмент после очистки (0,5 мг) растворяли в 10 мл 1 моль/л КОН по методике, описанной Rajagopal et al. [29]. Спектр поглощения гриба в УФ-видимой области сканировали в диапазоне длин волн 200–750 нм на спектрофотометре в УФ-видимой области (спектрофотометр BOEGO модель S-220 UV/VIS, Германия) путем сравнения синтетического стандарта ДОФА-меланин.В качестве холостой пробы использовали раствор КОН с концентрацией 1 моль/л. Регистрировали максимальный уровень поглощения (λ max ) грибкового пигмента и синтетического стандарта ДОФА-меланин.

Инфракрасный резонансный анализ с преобразованием Фурье (FT-IR).

ИК-Фурье-анализ был выполнен в Центре инструментального анализа Университета Ямагути, Ямагути, Япония. Очищенный грибковый пигмент и синтетический стандарт DOPA-меланин измельчали ​​с бромистым калием для IR и обрабатывали для FT-IR.Образцы прессовали в диски под вакуумом на прессе KBr. ИК-Фурье-спектры в дисках KBr записывали на ИК-Фурье-спектрометре Thermo Fisher Scientific Nicolet iS10 (Thermo Fisher Scientific, США). Спектры снимали с разрешением 4 см -1 в диапазоне волновых чисел 500–4000 см -1 .

Электронно-парамагнитный резонанс (ЭПР). Спектры ЭПР

получены в Центре инструментального анализа Университета Ямагути, Ямагути, Япония.Спектры ЭПР грибного пигмента и синтетического стандарта ДОФА-меланин регистрировали в твердом состоянии при 25°С в кварцевых трубках диаметром 4 мм на спектрофотометре Bruker ELEXSYS E500 (Bruker Instruments Inc., США). Различные инструментальные параметры ЭПР были установлены на частоту модуляции 100 кГц, амплитуду модуляции 1,0 Гс, мощность микроволн 0,64 мВт, частоту 9,84 ГГц и время сканирования 20,97 с.

Элементный анализ.

Элементный состав грибкового пигмента и синтетического ДОФА-меланина определяли на анализаторе органических элементов Thermo Scientific FLASH 2000 (Thermo Fisher Scientific, США).

Определение пути синтеза грибкового меланина с использованием ингибиторов

Путь синтеза меланина

был охарактеризован путем изучения эффектов ингибиторов по методике, описанной в предыдущих исследованиях [24, 25, 29] с некоторыми модификациями. В каждую колбу Эрленмейера на 150 мл добавляли по 25 мл PDB pH 6,0. После автоклавирования койевая кислота (Sigma, США) и трополон (Tokyo Chemical Industry Co. Ltd., Япония), ингибирующие путь ДОФА, и трициклазол (Tokyo Chemical Industry Co.Ltd., Япония) и фталид (Tokyo Chemical Industry Co. Ltd., Япония), ингибирующие путь меланина DHN, добавляли в PDB в конечной концентрации 50 мкг/мл в каждой колбе. Среды инокулировали тремя грибными мицелиальными пробками (диаметром 5 мм), полученными с периферии растущей колонии, на КПК при 25°С в течение трех недель и при встряхивании при 25°С в темноте в течение трех недель. Наблюдается грибковый рост и пигментация. Для каждой обработки проводили три повторения.

Оптимизация производства грибкового пигмента

Выращивание грибов.

Три пробки грибкового мицелия (диаметром 5 мм), полученные с периферии растущей колонии на КПК при 25°С в течение трех недель, переносили в 25 мл жидкой среды в каждой 125-мл колбе Эрленмейера после автоклавирования при 121°С. С в течение 15 мин. Культивирование проводили в темноте при 25°С при встряхивании со скоростью 125 об/мин на поршневой качалке. После инкубации культуры центрифугировали при 11000 об/мин в течение 15 мин для сбора мицелия грибов. Грибной мицелий собирали и сушили.Пигмент экстрагировали, как описано выше. Выход пигмента оценивали по методу, описанному Wang et al. [36], в которой длина волны его максимумов оптической плотности была выражена в единицах оптической плотности (AU). Для каждой обработки выполняли пять повторов.

Влияние культуральной жидкой среды.

В этом эксперименте использовались пять различных жидких сред; PDB, бульон Чапека Докса (CDB; Signma-Aldrich, США), глюкозно-пептонная среда с дрожжевым экстрактом (GYPM; 10 г глюкозы, 2 г дрожжевого экстракта, 1 г пептона), среда с солодовым экстрактом (ME; солодовый экстракт 20 г) и овсяные хлопья. среда (ОМ; Difco, США).Во всех жидких средах объем доводили до 1000 мл дистиллированной водой, а рН доводили до 6,0 с помощью 1 моль/л HCl и 1 моль/л NaOH. После посева питательные среды инкубировали в темноте при 25°С в течение трех недель при встряхивании. Для дальнейших экспериментов выбирали жидкую среду, дающую наибольший выход пигмента.

Влияние начального pH и температуры.

Начальный рН выбранной подходящей жидкой среды, полученный в результате предыдущих экспериментов, был скорректирован с 3.от 0 до 9,0 перед автоклавированием. После посева питательные среды инкубировали в темноте при 25°С в течение трех недель при встряхивании. Для дальнейших экспериментов выбирали начальное значение рН, которое обеспечивало наибольший выход пигмента. Гриб выращивали в темноте при 15, 20, 25, 30, 35 и 40°С в течение трех недель при встряхивании для определения оптимальной температуры для образования пигмента.

Статистический анализ

Статистический анализ был проведен с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с использованием программы SPSS версии 16.0 для Windows. Критерий диапазона Тьюки использовали для определения значимых различий ( P <0,05) между средними значениями каждого лечения.

Результаты

Обнаружение и количественная оценка продукции пигмента штаммом

Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319

Извлечение пигментов из S . endophytica был получен из высушенной биомассы грибов (рис. 1В). Очищенный пигмент имел темно-коричневый цвет (рис. 1С).Экстракция и очистка пигмента дали выход 315,20 ± 13,57 мг на грамм высушенной грибной биомассы в пяти повторностях.

Характеристика пигмента

Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319

Физические и химические свойства S . Пигмент endophytica и синтетический стандарт ДОФА-меланин показаны в таблице 1. Грибковый пигмент и синтетический стандарт ДОФА-меланин были нерастворимы в дистиллированной воде, 1 моль/л NaCl, метаноле, абсолютном этаноле, ацетоне, ацетонитриле, бензоле, 1- бутанол, этилацетат, хлороформ, петролейный эфир и 2-пропанол.Однако грибковый пигмент и синтетический стандарт ДОФА-меланин показали растворимость в 1 моль/л КОН, 1 моль/л NaOH и 100 ммоль/л боратного буфера. И грибковый пигмент, и синтетический стандарт ДОФА-меланин выпадали в осадок в растворах 1 моль/л HCl и 1% FeCl 3 . И грибковый пигмент, и синтетический ДОФА-меланин были положительными в отношении обесцвечивания 30% перекисью водорода и 10% растворами гипохлорита натрия. Химические свойства S . Пигмент endophytica был почти таким же, как у синтетического стандарта ДОФА-меланин.

Обнаружение и количественное определение грибкового пигмента

Спектроскопический анализ.

Длину волны максимального поглощения сканировали в диапазоне от 200 до 750 нм. Длина волны максимального поглощения экстрагированного грибкового пигмента и стандарта синтетического ДОФА-меланина наблюдалась при 215 нм (фиг. 1D и 1E). В этом исследовании график зависимости логарифма поглощения от длины волны грибкового пигмента и синтетического ДОФА-меланина был аналогичен и представлял собой прямую линию с отрицательным наклоном при -0.0027 и -0,0026 соответственно (рис. 1F). Поэтому пигмент производят из S . endophytica был подтвержден как меланин.

ИК-Фурье-анализ.

Спектры FT-IR были проанализированы, чтобы подтвердить, что экстрагированный грибковый пигмент представляет собой меланин. ИК-Фурье-спектры экстрагированного грибкового пигмента и синтетического стандарта ДОФА-меланин представлены на рис. группы [36, 37].Пик поглощения около 1707,1 см -1 в спектрах синтетического стандарта ДОФА-меланин был отнесен к растяжению СООН [38]. Спектры экстрагированного грибкового пигмента и синтетического стандарта ДОФА-меланин показали сильный уровень поглощения при 1650-1500 см -1 с заданным удлинением ароматического кольца С = С [36]. Пик поглощения в обоих спектрах зарегистрирован при 1210-1230 см -1 и отнесен к растяжению С-ОН и деформации ОН спирта [37-39].Кроме того, пик поглощения, зарегистрированный при 824,9, указывает на изгиб O-H [40]. Пик поглощения, зарегистрированный при 2924,7 и 1032,6 см -1 в спектрах пигмента грибов, указывает на насыщение углеродом и С-О растяжение полисахаридов, которые могут быть загрязнены углеводами клеточной стенки [38, 41, 42].

ЭПР-анализ.

Из-за наличия органических свободных радикалов характерное поведение спектроскопии ЭПР является еще одним диагностическим признаком меланина [43, 44].В этом исследовании методом ЭПР было выявлено, что пигментные частицы, полученные из грибковых клеток S . endophytica содержал стабильное свободнорадикальное соединение (рис. 3). ЭПР грибкового пигмента был аналогичен сигналу ЭПР синтетического ДОФА-меланина со значением G, равным 3510.

Элементный анализ.

Процентное содержание C, H, N, O и S в грибковом пигменте и синтетическом ДОФА-меланине представлено в таблице 2. Элементный анализ грибкового пигмента показал 52.Содержание 69% C, 4,69% H и 0,47% N. Синтетический ДОФА-меланин содержал 46,50% С, 3,14% Н и 5,95% N. Примечательно, что грибковый пигмент имел более низкое значение %N, чем синтетический ДОФА-меланин.

Определение пути синтеза грибкового меланина с помощью

Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319 с использованием ингибиторов

Грибы выращивали в присутствии нескольких ингибиторов, таких как койевая кислота, трополон, трициклазол или фталид. Через три недели мы обнаружили, что трициклазол и фталид эффективно подавляют образование меланина (рис. 4).

Рис. 4. Пигментация Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319 на картофельно-декстрозном бульоне в отсутствие ингибитора биосинтеза меланина (контроль), в присутствии ингибиторов биосинтеза ДОФА-меланина (койевая кислота и трополон) и в присутствии ингибиторов биосинтеза ДГН- меланин (трициклазол и фталид).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0222187.g004

Оптимизация производства грибкового пигмента с помощью

Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319

Результаты показали, что длина волны максимального поглощения грибкового пигмента наблюдается при 215 нм; поэтому показатель общего выхода пигмента оценивали на этой длине волны.Значения нормализовали до 215 AU на грамм высушенной биомассы грибов. Уровни производства грибкового пигмента S . endophytica в различных жидких средах показаны на рис. 5А. Результаты показывают, что самый высокий значительный выход грибкового пигмента (6,56 ± 0,25 AU 215 на грамм высушенной биомассы грибов) наблюдался в среде GYP, за которой следует PDB (5,32 ± 0,13 AU 215 на грамм высушенной биомассы грибов) в на среде CZ (4,95 ± 0,25 а.78 ± 0,23 AU 215 на грамм высушенной биомассы грибов). Наши результаты показывают, что начальное значение рН жидкой среды влияет на выработку грибкового пигмента (рис. 5В). Наибольший значительный выход грибкового пигмента (6,72 ± 0,32 а. высушенной биомассы грибов) и pH 8,0 (4,13 ± 0,25 AU 215 на грамм высушенной биомассы грибов).Примечательно, что гриб не мог расти при значениях рН 3,0 и 4,0. На продукцию грибкового пигмента влияет температура (рис. 5C). Наибольший выход грибных пигментов (6,84 ± 0,24 а.е. 215 на грамм высушенной грибной биомассы) наблюдался при оптимальной температуре 25°С. Однако гриб не мог расти при 30, 35 и 40°С.

Рис. 5.

Влияние жидкой среды (A), начального pH жидкой среды (B), температуры (C) на продукцию меланина грибами Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319.Результаты представляют собой средние значения для пяти повторов ± стандартное отклонение. Различные буквы над каждым столбцом в одном и том же параметре указывают на значительную разницу ( P< 0,05). GYP = глюкозо-пептонная среда с дрожжевым экстрактом, CZ = бульон Чапека-Докса, ME = среда с солодовым экстрактом, PDB = картофельно-декстрозный бульон и OA = овсяная мука.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0222187.g005

Обсуждение

Мицелиальные грибы являются природными источниками для производства пигментов [13, 15, 16, 33].В настоящем исследовании эндофитный гриб S . endophytica (штамм SDBR-CMU319) продуцировал меланиновый пигмент в грибковом мицелии, при этом грибковый меланин экстрагировали из грибной биомассы. Результаты были аналогичны результатам предыдущих исследований, в которых было обнаружено, что чистые культуры мицелиальных грибов, т.е. Alternaria alternata , Aspergillus flavus , A . фумигатус , А . нидуланс , А . Нигер , А . сидовий , А . тамари , А . терреус , А . tubeingensis , Epicoccum nigrum , Exophiala pisciphila , Magnapothe grisea , Ochroconis anomala , O . lascauxensis , Penicillium marneffei , Phyllosticta capitalensis и Stachybotry chartarum могли продуцировать меланин после культивирования как в твердой, так и в жидкой среде.Примечательно, что некоторое количество грибкового меланина присутствовало в грибковых структурах (например, клеточной стенке, апрессориях и спорах) или секретировалось в культивируемую среду [16, 24–26, 28, 27, 45, 46]. Однако настоящее исследование предоставило первый отчет о меланиновых пигментах, производимых S . эндофитная . Первичная идентификация меланина обычно основывается на критериях физических и химических свойств. Наши результаты показывают, что пигмент меланин, произведенный S . endophytica растворялся в растворах щелочей, нерастворим в воде, органических растворителях и растворах солей, осаждался в растворе HCl, обесцвечивался в присутствии окислителей и проявлял положительные реакции на полифенолы, образуя хлопьевидный коричневый осадок с FeCl 3 .Эти характеристики также проявлялись у синтетического меланина и являются общими для различных микробных меланинов, как было описано в предыдущих исследованиях [25, 27, 29, 35, 45, 47].

Для подтверждения того, что грибковым пигментом был меланин, были использованы анализы спектров УФ, ИК-Фурье и ЭПР. В настоящем исследовании спектр поглощения УФ-видимого спектра грибкового пигмента, полученного из S . endophytica показал сильное поглощение в УФ-диапазоне. Максимальное поглощение наблюдалось при 215 нм и уменьшалось по направлению к видимой области.Эти результаты были аналогичны результатам предыдущих исследований, в которых было обнаружено, что самый высокий уровень поглощения меланина, продуцируемого различными грибами, был в УФ-диапазоне от 200 до 300 нм и уменьшался в видимой области [16, 25, 26, 29, 45, 46, 48, 49]. Раствор грибкового пигмента в этом исследовании показал логарифм оптической плотности при построении графика зависимости от длины волны и дал линейную кривую с отрицательным наклоном. Аналогично характерные прямые с отрицательным наклоном были получены для меланина, продуцируемого грибами, и синтетического меланина [12, 21, 25, 26, 29, 49].ИК-спектр грибного пигмента показал широкий уровень поглощения и выявил наличие водородной связи ОН-группы и вытяжение ароматического кольца С=С. Эти характерные свойства ИК-спектра этого пигмента были сходны с таковыми в предыдущих сообщениях о свойствах грибкового меланина, а также со свойствами синтетического меланина [12, 25, 26, 29, 50]. Известно, что ЭПР-спектроскопия является особенно эффективным методом изучения меланина грибов, так как этот меланин уникально содержит стабильную популяцию органических свободных радикалов [21, 43, 51–53].В настоящем исследовании грибковый пигмент содержал стабильное свободнорадикальное соединение, и сигнал ЭПР рисунка грибкового пигмента, по-видимому, имел аналогичный сигнал грибкового меланина и синтетического стандарта меланина, о которых сообщалось [21, 25, 26, 29]. , 45, 50].

В целом меланины, синтезируемые ДОФА-путем, делятся на эумельнин и феомеланин. Эумеланин содержал 5,1–9 % азота и 0–1 % серы, а феомеланин содержал 8–11 % азота и 9–12 % серы [12, 35, 45, 54].С другой стороны, меланины, синтезированные из DHN-пути, присутствовали только со следами азота [12, 13, 16]. В нашем исследовании также был проведен анализ элементного состава пигмента, извлеченного из S . эндофитная . В полученном грибковом пигменте обнаружено низкое процентное содержание азота (0,47%), что отличалось от результатов предыдущих исследований ДОФА-меланина, синтезированного из грибов. Примечательно предыдущие исследования ДОФА-меланина, синтезированного из грибов, процентное содержание азота в которых колебалось от 3 до 6.7% [12, 22, 35, 41, 45, 54, 55]. Поэтому было определено, что пигмент, извлеченный из S . endophytica SDBR-CMU319 представлял собой не DOPA-меланин, а, вероятно, DHN-меланин. Азот, присутствующий в грибковом меланине в нашем исследовании, позволяет предположить, что это может быть неочищенный грибковый пигмент или небольшая степень загрязнения азотсодержащим соединением, которое было присоединено к меланину [12, 16, 43].

Соединения, которые специфически ингибируют путь биосинтеза ДОФА- и ДГН-меланина, были протестированы на микроорганизмах.Трициклазол и фталид ингибируют ферментативное восстановление двух соединений гидроксинафталина до скиталона и вермелона, которые являются промежуточными продуктами меланина, продуцируемого DHN-путем. Однако койевая кислота и трополон ингибировали тирозиназу — фермент, ответственный за выработку ДОФА-меланина [11, 25, 56]. В настоящем исследовании присутствие трициклазола и фталида выявило отсутствие пигментации S . endophytica , аскомицетный гриб [34], который предположил, что меланиновый пигмент продуцируется этим грибом по DHN-пути.Это похоже на предыдущие исследования, которые обнаружили, что половые и бесполые аскомицеты преимущественно продуцируют меланин через DHN-путь, а базидиомицеты продуцируют меланин через DOPA-путь [12, 23, 24, 35, 47, 48]. Однако некоторые виды аскомицетов, напр. А . нидуланс , А . Нигер , А . тамари , А . Flavus , Cladosporium Resinae , Epicoccum Nigrum , Hendendersonula Toruloidea , Eureuloidea , Eurotium Echinulatum , Humicolon Grisea и гипоксилон Archeri , выпускается меланин через доп-путь [21, 23, 25, 26, 45, 51, 53, 57, 58].Кроме того, Пал и соавт. [25] обнаружили, что количество и тип пути синтеза меланина у Aspergillus отличались от других видов грибов, а Sapmak et al. [59] обнаружили, что Talaromyces marneffei (базионим: Penicillium marneffei ) может синтезировать как ДОФА-, так и ДГН-меланин в зависимости от условий роста и поступления соответствующих предшественников.

Наши результаты показывают, что культивируемая жидкая среда, среда с начальным pH и температура влияют на выработку грибкового меланина.Оптимальные условия для получения максимального выхода грибкового меланина из S . endophytica был получен при трехнедельном культивировании в среде GYP, при рН 6,0 и температуре инкубации 25°С. Этот результат был подтвержден результатами нескольких предыдущих исследований, которые показали, что на выход грибкового меланина сильно влияют соответствующие условия культивирования (например, среда культивирования, температура, рН, аэрация и тип ферментации), и что оптимальные условия для производства меланина не обязательно были гомологичны видам и штаммам грибов [19, 20, 33, 60].Чжан и др. [50] и Raman et al. [46] сообщили, что оптимизация состава среды может увеличить выработку меланина погруженной культурой Auricularia auricular и A . fumigatus соответственно. Кроме того, определение оптимальных условий для микробной продукции меланина может привести к увеличению выхода меланина для крупномасштабного производства [19, 47, 61].

Заключение

Spissiomyces endophytica SDBR-CMU319 продуцировал пигменты, которые были охарактеризованы как меланин на основании их физико-химических свойств.Основываясь на закономерностях элементного состава грибкового меланина и специфических ингибиторах пути синтеза меланина, мы пришли к выводу, что этот гриб может продуцировать меланин по DHN-пути. Кроме того, наибольший выход грибных пигментов наблюдался на глюкозо-пептонной среде дрожжевого экстракта при значении рН 6,0 и температуре 25°С в течение трех недель культивирования. Необходимы дальнейшие исследования меланина, полученного из этого гриба, для оценки его токсичности с целью замены коммерческих пигментов, которые используются в настоящее время, и с целью разработки меланина для крупномасштабного коммерческого производства.

Благодарности

Мы благодарны г-ну Расселу К. Холлису и доктору Кевину Д. Хайду за корректуру на английском языке. Мы также благодарны д-ру Сэйдзи Тани и д-ру Хироюки Фуджи (Центр инструментального анализа, Университет Ямагути, Япония) за помощь в проведении ЭПР и ИК-Фурье анализа.

Каталожные номера

  1. 1. Малик К., Токкас Дж., Гоял С. Микробные пигменты: обзор. Int J Microbial Res Technol. 2012 г.; 1: 361−365.
  2. 2. Акиландесвари П., Прадип Б.В.Изучение промышленно важных пигментов из почвенных грибов. Приложение Microbiol Biotechnol. 2016; 100: 1631–164. пмид:26701360
  3. 3. Унагул П., Вонгса П., Киттакуп П., Интамас С., Кулчай П.С., Тантикароен М. Производство красных пигментов патогенным грибком насекомых Cordyceps unilateralis BCC 1869. J Ind Microbiol Biotechnol. 2005 г.; 32: 135–140. пмид:158
  4. 4. Шинди ХА. Проблемы и решения по химии красок, красителей и пигментов: обзор.Хим. Интерн. 2017; 3: 97–105.
  5. 5. Джоши В., Аттри Д., Бала А., Бхушан С. Микробные пигменты. Индийская J Биотехнология. 2003 г.; 2: 362–369.
  6. 6. Venil CK, Lakshmanaperumalsamy P. Проницательный обзор микробного пигмента продигиозина. Выберите J Biol. 2009 г.; 5: 49–61.
  7. 7. Даффоз Л. Микробное производство пищевых пигментов, пищевых пигментов. Пищевая технология Биотехнология. 2006 г.; 44: 313–321.
  8. 8. Тули Х.С., Чаудхари П., Бенивал В., Шарма А.К.Микробные пигменты как природные источники цвета: современные тенденции и перспективы на будущее. J Food Sci Technol. 2015 г.; 52: 4669–4678. пмид:26243889
  9. 9. Mapari SAS, Nielsen NKF, Larsen TO, Frisvad JC, Meyer AS, Thrane U. Изучение биоразнообразия грибов для производства водорастворимых пигментов в качестве потенциальных натуральных пищевых красителей. Курр Опин Биотехнолог. 2005 г.; 16: 231–238. пмид:15831392
  10. 10. Арумугам Г.К., Шринивасан С.К., Джоши Г., Гопал Д., Рамалингам К. Производство и характеристика биоактивных метаболитов пьезотолерантного глубоководного гриба Nigrospora sp.при глубинном брожении. J Appl Microbiol. 2015 г.; 118: 99–111. пмид:25393321
  11. 11. Уилер М.Х., Белл А.А. Меланины и их значение в патогенных грибах. Curr Top Med Mycol 1988; 2: 338–387. пмид:3288360
  12. 12. Huang L, Liu M, Huang H, Wen Y, Zhang X, Wei Y. Последние достижения и прогресс в области меланиноподобных материалов и их биомедицинских приложений. Биомакромолекулы. 2018; 19: 1858–1868. пмид:297

  13. 13. Плонка П.М., Грабацка М.Синтез меланина в микроорганизмах – биотехнологический и медицинский аспекты. Акта Биохим Пол. 2006 г.; 53: 429–443. пмид:16951740
  14. 14. ЭльОбейд А.С., Камаль-Элдин А., Абдельхалим МАК, Хасиб А.М. Фармакологические свойства меланина и его функция в организме. Базовый Клин Фамакол Токсикол. 2017; 120: 515–522. пмид:28027430
  15. 15. Гомес Б.Л., Носанчук Ю.Д. Меланин и грибы. Curr Мнение Infect Dis. 2003 г.; 16: 91–96. пмид:12734441
  16. 16. Эйзенман Х.К., Касадевалл А.Синтез и сборка грибкового меланина. Заявл. Микробная биотехнология. 2012. 93: 931−940. пмид:22173481
  17. 17. Сингаравелан Н., Гришкан И., Бехарав А., Вакамацу К., Ито С., Нево Э. Адаптивный меланиновый ответ почвенного гриба Aspergillus niger на стресс от УФ-излучения в «Каньоне эволюции», гора Кармель, Израиль. ПЛОС Один. 2008 г.; 3: e2993. пмид:18714346
  18. 18. Turick C, Knox A, Leverette C, Kritzas Y. Стабилизация урана in situ микробными метаболитами.J Энвиро Радиоакт. 2008 г.; 99: 890–899. пмид:18222573
  19. 19. Рао MPN, Сяо М, Ли WJ. Грибковые и бактериальные пигменты: вторичные метаболиты с широким применением. Фронт микробиал. 2017; 8: 1113. pmid:286
  20. 20. Лангфельдер К., Стрейбель М., Ян Б. Биосинтез грибковых меланинов и их значение для патогенных грибков человека. Генетика грибов Биол. 2003 г.; 38: 143–158. пмид:12620252
  21. 21. Эллис Д.Х., Гриффитс Д.А. Расположение и анализ меланинов в клеточных стенках некоторых почвенных грибов.Может J Microbiol. 1974 год; 20: 1379–1386. https://doi.org/10.1139/m74-212
  22. 22. Филип З., Хайдер К., Бойтельспахер Х., Мартин Дж.П. Сравнение ИК-спектров меланинов микроскопических почвенных грибов, гуминовых кислот и модельных фенольных полимеров. Геодерма. 1974 год; 11:37–52. https://doi.org/10.1016/0016-7061(74)

    -6
  23. 23. Белл А.А., Уилер М.Х. Биосинтез и функции меланинов грибов. Анну Рев Фитопат. 1986 год; 24: 411–451. https://doi.org/10.1146/annurev.py.24.0.002211
  24. 24. Хамада Т., Аснаги М., Сатозава Т., Араки Н., Банба С., Хигашинура Н., Акасе Т., Хирасе К. Механизм действия нового рисового фунгицида толпрокарб отличается от механизма действия обычных ингибиторов биосинтеза меланина. Дж Пестик Науки. 2014; 39: 152−158. https://doi.org/10.1584/jpestics.D14-033
  25. 25. Пал А.К., Гаджар Д.У., Васавада А.Р. Путь ДОФА и ДГН регулирует синтез меланина у видов Aspergillus . Мед Микол. 2014; 52: 10−18.пмид:23998343
  26. 26. Лю Д.Х., Вэй Л., Го Т. Обнаружение ДОФА-меланина в диморфном грибковом патогене Penicillium marneffei и его влияние на фагоцитоз макрофагов in vitro . ПЛОС Один. 2014; 9: e92610. пмид:24647795
  27. 27. Де ла Роса Дж. М., Мартин-Санчес П. М., Санчес-Кортес С., Эрмосин Б., Никкер Х., Саиз-Хименес С. Структура меланинов грибов Ochroconis lascauxensis и Ochroconis anomala , загрязняющих наскальные рисунки в пещере Ласко.Научный представитель 2017; 7: 13441. PMCID: PMC5647350 pmid:220
  28. 28. Мартин Дж. П., Хайдер К. Фенольные полимеры Stachybotrys atra , Stachybotrys chartarum и Epicoccum nigrum в отношении образования гуминовой кислоты. Почвовед. 1969 год; 107: 260–270. https://doi.org/10.1097/00010694-196

    0-00005

  29. 29. Раджагопал К., Катираван Г., Картикеян С. Извлечение и характеристика меланина из Phomopsis : феллофитных грибов, выделенных из Azadirachta indica A.Юсс. Afr J Microbiol Res. 2011 г.; 5: 762-766.
  30. 30. Zou Y, Hou X. Оптимизация питательной среды для производства меланина с помощью Auricularia auricular . Технологии пищевых наук. 2017; 37: 153–157. http://dx.doi.org/10.1590/1678-457x.18016
  31. 31. Джейкобсон Э.С. Патогенная роль грибковых меланинов. Clin Microbiol Rev. 2000; 13: 708–717. пмид:11023965
  32. 32. Моррис-Джонс Р., Гомес Б.Л., Диез С., Уран М., Моррис-Джонс С.Д., Касадевалл А., Носанчук Д.Д., Гамильтон А.Дж.Синтез пигмента меланина Candida albicans in vitro и во время инфекции. Заразить иммун. 2005 г.; 73: 6147–6150. пмид:16113337
  33. 33. Гесслер Н., Егорова А., Белозерская Т. Меланиновые пигменты грибов в экстремальных условиях окружающей среды (обзор). Приложение Biochem Microbiol. 2014; 50: 105–113. https://doi.org/10.1134/S0003683814020094. пмид:25272728
  34. 34. Suwannarach N, Kumla J, Lumyong S. Spissiomyces endophytica (Dothideomycetes, Ascomycota), новый эндофитный гриб из Таиланда.Фитотаксоны. 2018; 33: 219–227. https://doi.org/10.11646/phytotaxa.333.2.5
  35. 35. Hou R, Liu X, Xiang K, Chen L, Wu X, Lin W, Zheng M. Fu J. Характеристика физико-химических свойств и оптимизация экстракции природного меланина из гриба Inonotus hispidus . Пищевая хим. 2019; 277: 533–542. пмид:30502181
  36. 36. Wang H, Pan Y, Tang X, Huang Z. Выделение и характеристика меланина из семян Osmanthus fragrans ’.LWT-Технологии пищевых продуктов. 2006 г.; 39: 496–502. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2005.04.001
  37. 37. Бунер Т.Г., Дункан А. Инфракрасные спектры некоторых меланинов. Природа. 1962 год; 194: 1078–1079. пмид:13871035
  38. 38. Каннан П., Ганджевала Д. Предварительная характеристика меланина, выделенного из плодов и семян Nyctanthes arbor-tritis . J Научная рез. 2009 г.; 1: 6555–661.
  39. 39. Senesi N, Miano TM, Martin JP (1987)Элементная, функциональная инфракрасная характеристика и характеристика свободных радикалов грибковых полимеров типа гуминовой кислоты (меланины).Биол Плодородные почвы. 1987 год; 5: 120–125. https://doi.org/10.1007/BF00257646
  40. 40. Бриделли М.Г., Тампеллини Д., Зекка Л. Структура нейромеланина и его сайт связывания железа изучены с помощью инфракрасной спектроскопии. ФЭБС лат. 1999 г.; 457: 18–22. пмид:10486555
  41. 41. Коутс Дж. Интерпретация инфракрасных спектров, практический подход. В Майерс Р.А. Редактор. Энциклопедия аналитической химии. Чичестер: Jon Wiley & Sons LTd.; 2006. С. 10815–10837.
  42. 42.Паим С., Линьярес Л.Ф., Мангрич А.С., Мартим Дж.П. Характеристика грибковых меланинов и гуминовых кислот почвы с помощью химического анализа и инфракрасной спектроскопии. Биол Плодородные почвы. 1990 г.; 10: 72–76. https://doi.org/10.1007/BF00336128
  43. 43. Древновская Ю.М., Замбржицка М., Кальска-Шостко Б., Федорук К., Свецицкая И. Синтез меланиноподобного пигмента почвой Bacillus weihenstephanensis , выделенной из северо-восточной Польши. ПЛОС Один. 2015 г.; 10: e0125428. пмид:251
  44. 44.Chen SR, Jiang B, Zheng JJ, Xu GY, Li JY, Yang N. Выделение и характеристика природного меланина, полученного из шелковистой птицы ( Gallus gallus domesticus Brisson ). Пищевая хим. 2008 г.; 111: 745–749. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2008.04.053
  45. 45. Goncalves RCR, Lisboa HCF, Pomberiro-Sponchiado SR. Характеристика пигмента меланина, продуцируемого штаммом Aspergillus nidulans . World J Microbiol Biotechnol. 2012 г.; 28: 1467–1474. пмид:22805928
  46. 46.Раман Н.М., Шах П.Х., Мохан М., Рамасами С. Улучшение производства меланина из Aspergillus fumigatus AFGRD105 за счет оптимизации факторов среды. АМБ Экспресс. 2015 г.; 5: 1–9. пмид:26597959
  47. 47. Сурьянараянан Т.С., Равишанкар Дж.П., Венкатесан Г., Мурали Т.С. Характеристика меланинового пигмента космополитического грибкового эндофита. Микол рез. 2004 г.; 108: 974–978. https://doi.org/10.1017/S0953756204000619 pmid:15449603
  48. 48. Чжан Ф, Хе Ю, Цзу Ю, Ли Т, Чжао З.Характеристика меланина, выделенного из темного септированного эндофита (DSE), Exophiala pisciphila. Всемирная микробиологическая биотехнология. 2011 г.; 27: 2483–2489. https://doi.org/10.1007/s11274-011-0712-8
  49. 49. Сельвакумар П., Раджасекар С., Периасами К., Рааман Н. Выделение и характеристика пигмента меланина из Pleurotuscystigiosus (теломорф Antromycopsis macrocarpa ). World J Microbiol Biotechnol. 2008 г.; 24: 2125–2131. PMID: 30533254
  50. 50. Чжан М., Сяо Г., Тринг Р.В., Чен В., Чжоу Х., Ян Х.Производство и характеристика меланина погруженной культурой кулинарных и лекарственных грибов Auricularia auricula . Заявл. Биохим Биотехнолог. 2015 г.; 176: 253–266. пмид:25800528
  51. 51. Енохс В.С., Нильгес М.Дж., Шварц Х.М. Стандартизированный тест для идентификации и характеристики меланинов с использованием спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Пигментная клетка Res. 1993 год; 6: 91–99. пмид:83
  52. 52. Носанчук Ю.Д., Касадевалл А. Вклад меланина в микробный патогенез.Клеточная микробиология. 2003 г.; 5: 203–223. пмид:12675679
  53. 53. Хенсон Дж.М., Батлер М.Дж., Дэй А.В. Темная сторона мицелия: меланины фитопатогенных грибов. Анну Рев Фитопат. 1999 г.; 37: 447–471. пмид:11701831
  54. 54. Ревская Э., Чу П., Хауэлл Р.С., Швейцер А.Д., Брайан Р.А., Харрис М., Герфен Г., Цзян З., Джандл Т., Ким К., Тинг Л.М., Селлерс Р.С., Дадачова Э., Касадевалл А. Комптоновское рассеяние внутренними экранами на основе меланина -содержащие грибы обеспечивают защиту желудочно-кишечного тракта от ионизирующего излучения.Рак Биотер Радиофарм. 2012 г.; 27: 570–576. пмид:23113595
  55. 55. Булл А.Т., Фолкнер Б.М. Синтез меланина в штаммах дикого типа и мутантных штаммах Aspergillus nidulans . J Gen Microbiol. 1965 год; 41: iv
  56. 56. Уилер М.Х., Клих М.А. Влияние трициклазола, пироквилона, фталида и родственных фунгицидов на выработку пигментов конидиальных стенок видами Penicillium и Aspergillus . Пестик Биохим Физиол. 1995 год; 52: 125–136.
  57. 57. Саис-Хименес С. Микробные меланины в каменных памятниках. Научная общая среда. 1995 год; 167: 273–286
  58. 58. Wu Y, Shan L, Yang S, Ma A. Идентификация и антиоксидантная активность меланина, выделенного из Hypoxylon archeri , гриба-компаньона Tremella fuciformis . J Основная микробиол. 2008 г.; 48: 217–221. пмид:18506908
  59. 59. Сапмак А., Бойс К.Дж., Андрианопулос А. Ген pbrB кодирует лакказу, необходимую для синтеза DHN-меланина в конидиях Talaromyces ( Penicillium ) marneffei .ПЛОС Один. 2015 г.; 10: e0122728. пмид:25866870
  60. 60. Панесар Р., Каур С., Панесар П.С. Производство микробных пигментов с использованием отходов агропромышленного комплекса: обзор. Курр Опин Food Sci. 2015 г.; 1: 70–76. http://dx.doi.org/10.1016/j.cofs.2014.12.002.
  61. 61. Тайра Х., Равал К., Балакришнан Р.М. Оптимизация биосинтеза наночастиц меланина, используемых для удаления тяжелых металлов. Res J Chem Environ Sci. 2016; 12–18.

Биохимия, Меланин Статья

Введение

Меланин — это термин, используемый для описания большой группы родственных молекул, ответственных за многие биологические функции, включая пигментацию кожи и волос и фотозащиту кожи и глаз.[1][2][3]

Основы

У человека меланин существует в трех формах: эумеланин (который далее подразделяется на черную и коричневую формы), феомеланин и нейромеланин.

Сотовый

Эумеланин и феомеланин вырабатываются в различных количествах в базальном слое эпидермиса внутри клеток, называемых меланоцитами. Меланоциты представляют собой зрелые формы меланобластов, которые мигрируют из нервного гребня после закрытия нервной трубки.Поскольку меланин вырабатывается внутри меланоцитов, он упакован в небольшие круглые мембранные органеллы, называемые меланосомами. Меланосомы транспортируются от меланоцитов к соседним кератиноцитам через щупальцеподобные дендритные отростки. Меланосомы, поступающие в кератиноциты, располагаются поверхностно по отношению к ядрам клеток, что служит для защиты от входящего ультрафиолетового (УФ) излучения.

Молекулярный

Первый этап биосинтеза эумеланина и феомеланина начинается одинаково.Тирозин превращается в дигидроксифенилаланин (ДОФА), который требует тирозингидроксилазы и тетрагидробиоптерина в качестве кофактора. Фермент тирозиназа затем превращает дигидроксифенилаланин в допахинон, который может следовать различным путям с образованием эумеланин или феомеланин.

Первичным стимулом для меланогенеза и последующего образования меланосом является УФ-излучение, которое усиливает выработку меланоцитами проопиомеланокортина (РОМС) и его нижестоящих продуктов, альфа-меланоцитостимулирующего гормона (альфа-МСГ) и адренокортикотропного гормона (АКТГ).Общий эффект заключается в увеличении производства эумеланина. (Интересно, что у людей с мутациями проопиомеланокортина рыжие волосы и тип кожи по Фитцпатрику 1 из-за относительного увеличения экспрессии феомеланина по сравнению с эумеланином).

Нейромеланин представляет собой темный пигмент, вырабатываемый дофаминергическими и норадренергическими клетками черной субстанции и голубого пятна как продукт распада дофамина.[5]

Функция

В различных формах меланин выполняет множество биологических функций, включая пигментацию кожи и волос и фотозащиту кожи и глаз.

Пигментация кожи возникает в результате накопления меланинсодержащих меланосом в базальном слое эпидермиса. Различия в пигментации кожи обусловлены как относительным соотношением эумеланина (коричнево-черный) и феомеланина (желто-красный), так и количеством меланосом в меланоцитах. Феомеланин отвечает за розоватую кожу губ, сосков, влагалища и головки полового члена. В целом, слегка пигментированная кожа, как правило, содержит меланоциты с скоплениями из двух-трех меланосом, тогда как темнопигментированная кожа, как правило, содержит отдельные меланосомы, которые могут легче меланизировать соседние кератиноциты.Общая плотность меланина коррелирует с темным цветом кожи, а также с типом кожи по Фитцпатрику.

Взаимодействие между меланином и УФ-излучением является сложным. Исследователи широко полагают, что производство меланина в меланоцитах увеличилось в результате эволюционной адаптации к повсеместной потере волос на теле человека более миллиона лет назад. Популяции, живущие ближе к экватору, имели тенденцию к выработке большей доли эумеланина, который является УФ-абсорбентом, антиоксидантом и поглотителем свободных радикалов.И наоборот, популяции, живущие дальше от экватора, относительно богаче феомеланином, который вырабатывает свободные радикалы в ответ на УФ-излучение, ускоряя канцерогенез. Поскольку основным стимулом для выработки кожного витамина D является воздействие УФ-излучения, отсюда следует, что темнокожие люди также, как правило, имеют более низкие уровни витамина D и должны проходить соответствующий скрининг.

Менее ясна связь между меланином, солнцем и кожной иммунологией. Как острое, так и хроническое воздействие УФ-излучения вызывает иммуносупрессию; Свет UVA используется в терапевтических целях при большом количестве кожных заболеваний, включая псориаз.Интересно, что меланин, как полагают, обладает иммуномодулирующими и даже антибактериальными свойствами, хотя лежащие в их основе механизмы еще полностью не выяснены. Злокачественные меланоциты, богатые меланином, менее чувствительны к химио-, радио- или фотодинамической терапии, а меланотические меланомы имеют более длительную безрецидивную и общую выживаемость, чем меланотические. Поэтому некоторые предложили ингибирование меланогенеза в качестве терапии злокачественной меланомы.

Меланин не только защищает кожу от фотоповреждений, но и защищает глаза.Меланин сконцентрирован в радужной оболочке и сосудистой оболочке глаза, и у людей с серым, голубым и зеленым цветом глаз, а также у альбиносов больше проблем с глазами, связанных с солнцем.

Цвет волос определяется относительным соотношением различных форм меланина:

  • Черные и каштановые волосы являются результатом различного содержания черного и коричневого эумеланина
  • Светлые волосы являются результатом небольшого количества коричневого эумеланина при отсутствии черного эумеланина
  • Рыжие волосы являются результатом примерно равного количества феомеланина и эумеланина.Клубнично-светлые волосы являются результатом коричневого эумеланина в присутствии феомеланина.

Клиническое значение

Каждый этап образования и транспорта меланина может быть нарушен, что приводит к разнообразной группе заболеваний:[6][7][8]

  • Меланобласты: Доминантные (AD) заболевания, характеризующиеся белой челкой, гипопигментацией кожи и преждевременным поседением волос, возникают в результате нарушения миграции меланобластов в ткани назначения (т.д., радужка, волосы). Различные формы также включают врожденную глухоту, гетерохромию радужки, синофриз и дистопию кантора.
  • Меланоцит:  Витилиго, заболевание, характеризующееся фоточувствительными и депигментированными белыми пятнами, окруженными нормальной пигментированной кожей, и офтальмологическими проблемами, возникает в результате аутоиммунного разрушения меланоцитов.
  • Меланосома:  Синдром Чедиака-Хигаси, аутосомно-рецессивное заболевание, характеризующееся частичным кожно-глазным альбинизмом, дисфункцией тромбоцитов, гемофагоцитарным лимфогистиоцитозом (ГЛГ) и иммунодефицитом, возникает в результате мутаций в генах, которые, вероятно, регулируют перенос лизосом.Синдром Гришелли, аутосомно-рецессивная группа заболеваний, характеризующаяся гипопигментацией волос и кожи, возникает в результате мутаций в белковом комплексе, ответственном за перенос зрелых меланосом в кератиноциты. Различные формы также включают неврологические нарушения, иммунодефицит и ГЛГ.
  • Тирозиназа: Фенилкетонурия, аутосомно-рецессивное заболевание, характеризующееся умственной отсталостью, эпилепсией, светлыми, светлыми волосами и голубыми глазами, а также другими изменениями кожи, возникает в результате дефицита фермента фенилаланингидроксилазы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.