Ergothioneine, een donker paard in de anti-verouderingswereld 

Ergothioneïne (EGT) werd voor het eerst geïsoleerd uit moederkorenschimmels door wetenschapper Charles Tanret in 1909, vandaar de naam. Het is een natuurlijk voorkomend aminozuurderivaat dat wijd verspreid is in schimmels, sommige planten en dieren. In het menselijke dieet zijn paddenstoelen, granen en bepaalde zeevruchten de belangrijkste bronnen. Dankzij diepgaand onderzoek door de moderne wetenschap zijn de opmerkelijke effecten van ergothioneïne geleidelijk aan het licht gekomen.

Antiverouderingsprincipes en werkingsmechanismen

Dubbele antioxiderende effecten

Directe verwijdering van vrije radicalen: EGT kan snel verschillende reactieve zuurstofsoorten (ROS) en reactieve stikstofsoorten (RNS) neutraliseren, waaronder superoxide-anion (O₂⁻), waterstofperoxide (H₂O₂), hydroxylradicalen (·OH) en singletzuurstof (¹O₂). Dit directe wegvangende effect is volledig geverifieerd in in vitro-experimenten.

Vergelijkende voordelen

Regulering van het antioxidantafweersysteem: EGT reguleert de expressie van stroomafwaartse antioxidantgenen (zoals HO-1, NQO1, SOD en CAT) door de KEAP1-NRF2-signaleringsroute te activeren. De nucleaire translocatie van NRF2 wordt gereguleerd door de PI3K/AKT- en PKC-signaleringsroutes, en EGT kan de afgifte en nucleaire translocatie van NRF2 bevorderen door de thiolsensor van KEAP1 te moduleren.

Beschermende rol in de stabiliteit van het genoom

Vermindering van DNA-schade: EGT remt effectief ROS- en RNS-geïnduceerde DNA-schade, vooral in mitochondriaal DNA (mtDNA). Studies hebben aangetoond dat cellen zonder EGT-transporters hogere niveaus van DNA-schade vertonen.

Bevordering van DNA-reparatie: EGT absorbeert niet alleen ultraviolette (UV) straling, maar bevordert ook DNA-reparatie na UV-straling, waardoor huidcellen worden beschermd tegen schade door licht.

Regulatie van epigenetische modificaties

Beïnvloeding van de synthese van de methyldonor SAM: EGT beïnvloedt indirect de beschikbaarheid van S-adenosylmethionine (SAM) door de glutathion (GSH) niveaus te reguleren, waardoor de activiteit van DNA-methyltransferasen (DNMT's) en histonmethyltransferasen (HMT's) wordt gereguleerd.

Behoud van de homeostase van vrije ijzerionen: EGT handhaaft de homeostase van vrije ijzerionen door ROS op te vangen, waardoor de activiteit van demethylasen (zoals TET's en JmjC) wordt gewaarborgd.

Interacties met de Sirtuin-signaleringsroute:

Opregulatie van SIRT1/SIRT6-expressie: EGT vertraagt de veroudering van endotheelcellen en induceert necrotiserende apoptose in colorectale kankercellen door de expressie van SIRT1 en SIRT6 op te reguleren.

Behoud van NAD⁺-niveaus: EGT verbetert de Sirtuin-activiteit door de cellulaire redoxstatus te reguleren en de NAD⁺/NADH-verhouding te behouden.

Voorbereiding Mmethode

Natuurlijke extractiemethode:

EGT wordt aangetroffen in natuurlijke producten zoals eetbare paddenstoelen, moederkoren, granen en dierlijke weefsels. Eetbare schimmels hebben een hoog EGT-gehalte en zijn een belangrijke bron van EGT.

Het EGT-gehalte van natuurlijke producten is echter over het algemeen erg laag, waardoor er grote hoeveelheden grondstoffen nodig zijn voor de extractie, wat resulteert in hoge extractiekosten. Bovendien beperken kwesties zoals hoge niveaus van onzuiverheden en medicijnresiduen in de grondstoffen de industriële toepassing van extractiemethoden voor natuurlijke producten.

Chemische synthesemethode: Bij de traditionele chemische synthese van EGT wordt histidine als uitgangsmateriaal gebruikt, waarbij EGT in een waterige oplossing wordt gesynthetiseerd via meerdere stappen, waaronder thiolering, thioprotectie, methylering en ontscherming. Deze methode heeft een langdurige synthetische route en een lage opbrengst. In de afgelopen jaren hebben onderzoeken biosynthetische routes geïmiteerd om de chemische synthese van EGT te verbeteren. Erdelmeier et al. gebruikte histidine-betaïne, cysteïne en mercaptopropionzuur als uitgangsmaterialen om EGT te synthetiseren met behulp van een vereenvoudigde eenpotreactie, waarbij de introductie van thioprotectieve groepen werd vermeden, de syntheseroute werd verkort en de opbrengst werd verbeterd.

Chemische synthese brengt ook enkele uitdagingen met zich mee. De chiraliteit van het a-koolstofatoom in de carboxylgroep leidt bijvoorbeeld gemakkelijk tot racemisatie onder zure of alkalische omstandigheden, waardoor het moeilijk wordt om EGT met hoge optische zuiverheid te verkrijgen. Bovendien zijn de grondstoffen die nodig zijn voor de chemische synthese duur, is het uitgangsmateriaal 2-mercaptoimidazool moeilijk te bereiden en is ook de nabewerking van het product een uitdaging. Daarom moeten onderzoekers de chemische synthesemethoden optimaliseren en verbeteren om aan de behoeften van grootschalige industriële productie te voldoen.

Microbiële fermentatie: Het verkrijgen van EGT door middel van biosynthese heeft voordelen zoals gemakkelijk verkrijgbare grondstoffen en relatief lage kosten, en is de afgelopen jaren de belangrijkste methode voor de bereiding van EGT geworden. In de natuur bestaat EGT via twee routes: aerobe biosynthese en anaerobe biosynthese.

Aërobe biosynthese van EGT

Veel onderzoeken hebben het biosyntheseproces van EGT opgehelderd. Kortom, de aërobe biosyntheseroute van EGT kan worden onderverdeeld in bacteriële en schimmelroutes. Ziebeck et al. heeft de aerobe biosyntheseroute van EGT in vitro in Mycobacterium smegmatis opgehelderd en gereconstrueerd, waarbij vijf genen werden geïdentificeerd die bij de route betrokken zijn: EgtA, EgtB, EgtC, EgtD en EgtE. Deze genen coderen voor respectievelijk glutamylcysteïnesynthase (EgtA), Fe2+-afhankelijke oxidase (EgtB), gamma-glutamyltransferase (EgtC), S-adenosylmethionine (SAM)-afhankelijke histidinemethyltransferase (EgtD) en pyridoxaalfosfaat-afhankelijke C-S-lyase (EgtE). In dit proces katalyseert EgtA de condensatie van glutamaat en cysteïne om γ-glutamylcysteïne te genereren; EgtB katalyseert oxidatieve koppeling in aanwezigheid van zuurstof en ijzersulfaat, door een thiolgroep van γ-glutamylcysteïne toe te voegen aan de zijketen van histidinebetaïne (gesynthetiseerd uit histidine en SAM gekatalyseerd door EgtD); EgtC katalyseert vervolgens de verdere vorming van histidine-betaïne-cysteïnesulfoxide; ten slotte katalyseert EgtE de verwijdering van pyruvaat en ammoniak om EGT te genereren.

Bij de biosyntheseroute van schimmels zijn bij EGT voornamelijk twee synthasegenen betrokken, Egt1 en Egt2. Bello et al. identificeerde een specifieke synthase, NcEgt1, in *Neurospora crassa*, die domeinen bevat die vergelijkbaar zijn met die in EgtB en EgtD van *Mycobacterium smegmatis*. Egt1 neemt deel aan een katalytische reactie in twee stappen: eerst katalyseert het de omzetting van histidine in histidine-betaïne, en vervolgens katalyseert het de combinatie van histidine-betaïne en cysteïne om histidine-betaïne-cysteïnesulfoxide te vormen. Net als EgtE katalyseert Egt2 de vorming van EGT uit histidine, betaïne en cysteïnesulfoxide. Zoals weergegeven in de figuur is de biosyntheseroute van EGT bij schimmels veel eenvoudiger dan die bij bacteriën, omdat er slechts twee enzymen bij betrokken zijn.

Anaerobe biosynthese van EGT

Er is melding gemaakt van een anaërobe biosynthese van EGT in een strikt anaërobe modderbacterie ( Chlorobium limicola ), waarbij de EGT-biosynthese wordt bewerkstelligd via een tweestapsreactie die onafhankelijk is van zuurstof. Branden et al. identificeerde methyltransferase (EanA) en sulfotransferase (EanB) in deze anaërobe modderbacterie. Zoals weergegeven in de figuur katalyseert EanA de omzetting van histidine in histidine-betaïne, en vervolgens brengt EanB, onder anaerobe omstandigheden, een zwavelatoom over naar de imidazoolring van histidine-betaïne om EGT te genereren. Hoewel de anaërobe biosyntheseroute eenvoudiger is, zijn de katalytische snelheden van EanA en EanB veel lager dan die van EgtD en EgtB in de aerobe biosyntheseroute. Daarom blijft de aerobe biosyntheseroute de dominante modus van EGT-biosynthese.

Toepassingsvooruitzichten

Ergothioneïne bezit krachtige antioxiderende en anti-verouderingseigenschappen en heeft brede toepassingsmogelijkheden in de voedingsmiddelen-, cosmetica-, functionele voeding- en biofarmaceutische industrie. De toepassing ervan op het gebied van schoonheid en huidverzorging is bijzonder prominent aanwezig, waardoor het een belangrijk ingrediënt is in antiverouderingsproducten.

De belangrijkste voordelen zijn onder meer:

1. Antioxidant en anti-aging: De krachtige antioxiderende capaciteit van Ergothioneine bestrijdt effectief vrije radicalen, vermindert oxidatieve schade aan huidcellen, vertraagt huidveroudering en vermindert rimpels en verslapping.
2. Whitening en vlekreductie: remt de productie en afzetting van melanine, verbetert de pigmentatie en dofheid en verheldert de huidskleur.
3. Ontstekingsremmend en verzachtend: Vermindert huidontstekingen, verlicht effectief roodheid en jeuk, versterkt de beschermende barrière van de huid en verbetert de weerstand ervan.
4. Hydraterend en herstellend: Verbetert effectief de barrièrefunctie van de huid, verbetert de hydratatie van de huid en bevordert het herstel en de regeneratie van beschadigde huid.
5. Fotoprotectie en bescherming tegen UV-schade: Ultraviolette straling is een van de belangrijkste boosdoeners van huidveroudering. Ergothioneïne kan huidbeschadiging veroorzaakt door ultraviolette straling verminderen, de huid beschermen tegen veroudering door zonlicht en effectieve bescherming tegen de zon bieden.

Samenvatten

Ergothioneïne, met zijn unieke antioxidantmechanisme en brede scala aan toepassingen, hervormt de anti-verouderingsindustrie. Met doorbraken in de synthetische biologie en diepgaand klinisch onderzoek kan het een van de belangrijkste ingrediënten worden voor het vertragen van veroudering en het verbeteren van de kwaliteit van leven. Voor consumenten kan de keuze voor zeer zuivere, wetenschappelijk geformuleerde ergothioneïneproducten een sleutel zijn tot het bestrijden van de effecten van de tijd.