Biosynthesis of serotonin in bacteria: an exploratory study

Abstract

A serotonina é um composto filogeneticamente antigo presente em todos os animais, plantas e em muitos organismos procariotas. Em eucariotas, a serotonina é sintetizada a partir do aminoácido aromático triptofano através de duas enzimas chave - Hidroxilase de Aminoácidos Aromáticos (AAAH) e Descarboxílase de Aminoácidos Aromáticos (AAAD). A serotonina é também um intermediário na via de síntese da melatonina. Em humanos, a serotonina é produzida no intestino e no cérebro, sendo essencial na regulação de múltiplas funções vitais, como humor, cognição, apetite e imunidade. A depleção de serotonina tem sido implicada em vários distúrbios neurológicos, como a depressão e a Doença de Alzheimer, e em várias condições periféricas, como a IBS e a fibromialgia.Embora a via biossintética da serotonina esteja bem descrita em eucariotas, sabe-se ainda muito pouco sobre como esta ocorre em bactérias. Evidências apontam para vias semelhantes às descritas para eucariotas, uma vez que AAAH e AAAD semelhantes às de eucariotas foram já identificadas em várias bactérias, embora a produção de serotonina ainda não tenha sido efetivamente detetada na maioria destas espécies. Embora os genes para hidroxilases de triptofano não tenham ainda sido descritos em bactérias, evidências parecem sugerir que a produção de serotonina em bactérias possa ocorrer através de AAAH e AAAD diferentes, já que a promiscuidade de substrato foi efetivamente descrita para essas enzimas.A biossíntese de serotonina foi previamente detetada em membros do género Pseudomonas, e genes de AAAH e AAAD foram identificados em Pseudomonas putida. O objetivo deste estudo foi testar a especificidade do substrato de uma AAAH de P. putida, previamente anotada como hidroxilase de fenilalanina. Testes de atividade enzimática utilizando diferentes substratos aromáticos sob diferentes condições bioquímicas, foram efetuados. No entanto, a atividade da AAAH só foi detetada na presença de fenilalanina, não sendo observada atividade com tirosina, triptamina ou triptofano. Ainda que propriedades da AAAH de P. putida determinadas neste estudo não confirmem a hipótese inicial, esta é certamente uma área de investigação muito promissora. Considerando o microbioma intestinal humano como uma potencial fonte de serotonina, a investigação destas vias biossintéticas em micróbios pode levar a descobertas importantes que poderão ser traduzidas para o sistema humano e, eventualmente, possibilitar o desenvolvimento de estratégias terapêuticas inovadoras para distúrbios associados à deficiência de serotonina.

Serotonin is a phylogenetically ancient compound found in all animals, plants, and some prokaryotes. In eukaryotes, serotonin is synthetized from the aromatic amino acid tryptophan via two key enzymes – Aromatic Amino Acid Hydroxylase (AAAH) and Aromatic Amino Acid Decarboxylase (AAAD). Serotonin is also an intermediate in the melatonin biosynthetic pathway and is generally involved in several vital functions.In humans, serotonin is produced in the gut and in the brain and is critical in the regulation of multiple body functions, such as mood, cognition, appetite, and immunity. Serotonin depletion has been implicated in both neurological disorders, such as depression and Alzheimer’s, as well as multiple peripheral conditions, such as IBS and fibromyalgia. While the serotonin biosynthetic pathway is well described in eukaryotes, very little is known about how it occurs in bacteria. Evidence points to similar pathways as the ones described for eukaryotes, as eukaryote-like AAAH and AAAD have been found in multiple bacteria, even though serotonin production has not yet been detected in most species. Although no bacterial tryptophan hydroxylase genes have been described, evidence seems to hint that serotonin production in bacteria might occur through different AAAH and AAAD, as substrate promiscuity has been effectively reported in these enzymes before. Serotonin biosynthesis has been previously detected in members of the genus Pseudomonas, and both AAAH and AAAD genes have been identified in Pseudomonas putida. The aim of this study was to test the substrate specificity of a putative AAAH from P. putida, previously annotated as phenylalanine hydroxylase. Enzymatic activity tests using different aromatic substrates under different biochemical conditions were performed. However, in the tested conditions, AAAH activity was only detected in the presence of phenylalanine, but not with tyrosine, tryptamine, or tryptophan. Even though the properties of P. putida AAAH determined in this study could not confirm what was initially hypothesized, this is still, for sure, a very promising field of research. Considering the human gut microbiota as a potential source of serotonin, further investigation on these biosynthetic pathways in microbes might lead to important discoveries, which may then be translated into human conditions and, ultimately, to the development of new therapeutic strategies to treat serotonin depletion related disorders.