Microbial Transformation of Epiandrosterone by Penicillium olsonii MRC500780

Abstract

Microbial fungal biotransformation refers to the ability of fungi to enzymatically modify organic compounds, often yielding structurally similar products with altered properties. This approach has gained considerable attention as a sustainable and selective alternative to conventional chemical synthesis, particularly in the context of complex molecules like steroids. Fungal species, especially filamentous types, are known for their rich enzymatic repertoire, which allows them to carry out site-specific modifications such as hydroxylation or oxidation. These transformations are not only efficient but also valuable for generating pharmacologically relevant derivatives. In the present study, we focused on the bioconversion of epiandrosterone 1 using Penicillium olsonii MRC500780. Through incubation under controlled conditions, we aimed to explore the metabolic capacity of this strain to produce new steroidal metabolites. The findings suggest that P. olsonii holds promise as a biocatalyst for steroid modification in pharmaceutical and biotechnological applications. Structure determinations showed that five-days biotransformation of epiandrosterone 1 by Penicillium olsonii MRC500780 afforded 4 metabolites. The four identified metabolites were as follows: 2, characterized by hydroxylation at the 15α-position of the 5α-androstane-3,17-dione scaffold; 3, bearing hydroxyl groups at both the 3β and 15α positions on the 5α-androstan-17-one backbone; 4, featuring hydroxylations at the 3β and 11α positions of 5α-androstan-17-one; 5, possessing hydroxyl groups at the 3β and 7α positions on the same steroidal framework.The biotransformation process revealed that P. olsonii MRC500780 catalyzed hydroxylation reactions at the C-7α, C-11α, and C-15α positions of epiandrosterone 1, along with an oxidative modification occurring at the C-3 site.

Keywords

• Biocatalysis
• Epiandrosterone
• Penicillium

Epiandrosteronun Penicillium olsonii MRC500780 ile Mikrobiyal Transformasyonu

Abstract

Mikrobiyal fungal biyotransformasyon, küflerin organik bileşikleri enzimatik olarak değiştirme yeteneğini ifade eder; bu süreç genellikle yapısal olarak benzer, ancak özellikleri değiştirilmiş ürünler ortaya çıkarır. Bu yaklaşım, özellikle steroidler gibi karmaşık moleküller söz konusu olduğunda, geleneksel kimyasal senteze sürdürülebilir ve seçici bir alternatif olarak son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Özellikle filamentöz türler olmak üzere birçok küf türü, hidroksilasyon veya oksidasyon gibi belirli konumlara özgü kimyasal değişiklikleri gerçekleştirebilen zengin bir enzim repertuarına sahiptir. Bu dönüşümler, yalnızca verimli olmakla kalmaz, aynı zamanda farmakolojik açıdan değerli türevlerin elde edilmesini de sağlar. Bu çalışmada, epiandrosteron 1’in Penicillium olsonii MRC500780 suşu tarafından biyotransformasyonuna odaklanılmıştır. Kontrollü koşullar altında yapılan inkübasyonlarla, bu suşun yeni steroidal metabolitler üretme potansiyeli araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, P. olsonii’nin farmasötik ve biyoteknolojik uygulamalarda steroid modifikasyonu için umut vadeden bir biyokatalizör olduğunu göstermektedir. Yapı tayinleri, epiandrosteron 1’in Penicillium olsonii MRC500780 tarafından 5 gün süren biyotransformasyonu sonucunda dört metabolitin elde edildiğini ortaya koymuştur. Elde edilen dört metabolit sırasıyla; 15α-hidroksillenmiş 5α-androstan-3,17-dion 2, 3β ve 15α konumlarında hidroksil grupları taşıyan 5α-androstan-17-on 3, 3β ve 11α pozisyonlarında hidroksillenmiş 5α-androstan-17-on 4 ve son olarak 3β ile 7α hidroksilasyonuna uğramış 5α-androstan-17-on 5 olarak tanımlanmıştır.Yürütülen biyotransformasyon süreci sonucunda P. olsonii MRC500780 suşunun, epiandrosteron 1 üzerinde C-7α, C-11α ve C-15α karbonlarında hidroksilasyon reaksiyonları gerçekleştirdiği; buna ek olarak, C-3 konumunda oksidatif bir dönüşüm meydana getirdiği belirlenmiştir.

Keywords

• Biyokataliz
• Epiandrosteron
• Penisilyum

References

1. Blunt JW, Stothers JB (1977). 13C NMR spectra of steroids-A survey and commentary. Org Magn Reson, 9 (8), 439-464.
2. Chalbot S, Morfin R (2005). Neurosteroids: metabolism in human intestine microsomes. Steroids, 70 (4), 319-326.
3. Črešnar B, Žakelj-Mavrič M (2009). Aspects of the steroid response in fungi. Chem Biol Interact, 178 (1-3), 303-309.
4. Dalal KS, Pendharkar GB, Dalal DS, Chaudhari BL (2022). Value addition to chemical compounds through biotransformation. J Ind Microbiol Biotechnol, (pp. 335-378). Singapore: Springer Singapore.
5. Donova MV, Egorova OV, Nikolayeva VM (2005). Steroid 17β-reduction by microorganisms-a review. Process Biochem, 40 (7), 2253-2262.
6. Harold C, Robert WP (1990). A survey of the high-field 1H NMR spectra of the steroid hormones, their hydroxylated derivatives, and related compounds. J Chem Soc, Perkin Trans 2 (9), 1567-1594.
7. Kołek T, Milecka N, Świzdor A, Panek A, Białońska A (2011). Hydroxylation of DHEA, androstenediol and epiandrosterone by Mortierella isabellina AM212. Evidence indicating that both constitutive and inducible hydroxylases catalyze 7α-as well as 7β-hydroxylations of 5-ene substrates. Org Biomol Chem, 9 (15), 5414-5422.
8. Kuru A, Yildirim K (2024). Microbial conversion of pregnenolone by some filamentous fungi. Biocatal Biotransformation, 42 (2), 185-193.

9. Márquez-Flores MÁ, Sandoval H, Pérez-Neri I, Ríos C, Diéguez-Campa-Carlos E (2020). Metabolism and effect of dehydroepiandrosterone (DHEA) in the central nervous system. Arch Neurocienc, 25 (3), 51-58.
10. Panek A, Łyczko P, Świzdor A (2020). Microbial modifications of androstane and androstene steroids by Penicillium vinaceum. Molecules, 25 (18), 4226.
11. Peart PC, McCook KP, Russell FA, Reynolds WF, Reese PB (2011). Hydroxylation of steroids by Fusarium oxysporum, Exophiala jeanselmei and Ceratocystis paradoxa. Steroids, 76 (12), 1317-1330.
12. Pereira dos Santos VH, Coelho Neto DM, Lacerda Junior V, Borges WDS, de Oliveira Silva E (2020). Fungal biotransformation: an efficient approach for stereoselective chemical reactions. Curr Org Chem, 24 (24), 2902-2953.
13. Sudhakaran S, Archana TM, Aguilar CN (2017). Bioresources and Bioprocess in Biotechnology. Volume 2. Exploring Potential Biomolecules. Biotransformation enzymes (pp. 129-150). Springer Singapore, Singapore.
14. Świzdor A (2013). Baeyer-Villiger oxidation of some C19 steroids by Penicillium lanosocoeruleum. Molecules, 18 (11), 13812-13822.
15. Swizdor A, Kolek T, Panek A, Milecka N (2012). Selective modifications of steroids performed by oxidative enzymes. Curr Org Chem, 16 (21), 2551-2582.
16. Yildirim K, Kuru A (2017). Microbial hydroxylation of epiandrosterone by Aspergillus candidus. Biocatal Biotransformation, 35 (2), 120-126.
17. Yildirim K, Kuru A, Yilmazer KeskinS, Ergin S (2021). Microbial transformation of dehydroepiandrosterone (DHEA) by some fungi. Biocatal Biotransformation, 39 (6), 465-474.