Trehalose (from Turkish tıgala – a sugar derived from insect cocoons + -ose) is a sugar consisting of two molecules of glucose.  It is also known as mycose or tremalose. Some bacteria, fungi, plants and invertebrate animals synthesize it as a source of energy, and to survive freezing and lack of water.

Extracting trehalose was once a difficult and costly process, but around 2000, the Hayashibara company (Okayama, Japan) discovered an inexpensive extraction technology from starch. Trehalose has high water retention capabilities, and is used in food, cosmetics and as a drug. A procedure developed in 2017 using trehalose allows sperm storage at room temperatures.

Structure 
Trehalose is a disaccharide formed by a  bond between two α-glucose units. It is found in nature as a disaccharide and also as a monomer in some polymers. Two other isomers exist, α,β-trehalose, otherwise known as neotrehalose, and β,β-trehalose (also referred to as isotrehalose). Neotrehalose has not been isolated from a living organism. Isotrehalose is also yet to be isolated from a living organism, but was found in starch hydroisolates.

Synthesis
At least three biological pathways support trehalose biosynthesis. An industrial process can derive trehalose from corn starch.

Properties

Chemical 
Trehalose is a nonreducing sugar formed from two glucose units joined by a 1–1 alpha bond, giving it the name  The bonding makes trehalose very resistant to acid hydrolysis, and therefore is stable in solution at high temperatures, even under acidic conditions. The bonding keeps nonreducing sugars in closed-ring form, such that the aldehyde or ketone end groups do not bind to the lysine or arginine residues of proteins (a process called glycation).  Trehalose is less soluble than sucrose, except at high temperatures (>80 °C). Trehalose forms a rhomboid crystal as the dihydrate, and has 90% of the calorific content of sucrose in that form. Anhydrous forms of trehalose readily regain moisture to form the dihydrate. Anhydrous forms of trehalose can show interesting physical properties when heat-treated.

Trehalose aqueous solutions show a concentration-dependent clustering tendency. Owing to their ability to form hydrogen bonds, they self-associate in water to form clusters of various sizes. All-atom molecular dynamics simulations showed that concentrations of 1.5–2.2 molar allow trehalose molecular clusters to percolate and form large and continuous aggregates.

Trehalose directly interacts with nucleic acids, facilitates melting of double stranded DNA and stabilizes single-stranded nucleic acids.

Biological  
Organisms ranging from bacteria, yeast, fungi, insects, invertebrates, and lower and higher plants have enzymes that can make trehalose.
In nature, trehalose can be found in plants, and microorganisms.  In animals, trehalose is prevalent in shrimp, and also in insects, including grasshoppers, locusts, butterflies, and bees, in which trehalose serves as blood-sugar. Trehalase genes are found in tardigrades, the microscopic ecdysozoans found worldwide in diverse extreme environments.

Trehalose is the major carbohydrate energy storage molecule used by insects for flight. One possible reason for this is that the glycosidic linkage of trehalose, when acted upon by an insect trehalase, releases two molecules of glucose, which is required for the rapid energy requirements of flight. This is double the efficiency of glucose release from the storage polymer starch, for which cleavage of one glycosidic linkage releases only one glucose molecule.

In plants, trehalose is seen in sunflower seeds, moonwort, Selaginella plants, and sea algae. Within the fungi, it is prevalent in some mushrooms, such as shiitake (Lentinula edodes), oyster, king oyster, and golden needle.

Even within the plant kingdom, Selaginella (sometimes called the resurrection plant), which grows in desert and mountainous areas, may be cracked and dried out, but will turn green again and revive after rain because of the function of trehalose.

The two prevalent theories as to how trehalose works within the organism in the state of cryptobiosis are the vitrification theory, a state that prevents ice formation, or the water displacement theory, whereby water is replaced by trehalose.

In bacterial cell wall, trehalose has a structural role in adaptive responses to stress such as osmotic differences and extreme temperature. Yeast uses trehalose as a carbon source in response to abiotic stresses. In humans, the only known function of trehalose is its ability to activate autophagy inducer.

Trehalose has also been reported for anti-bacterial, anti-biofilm, and anti-inflammatory (in vitro and in vivo) activities, upon its esterification with fatty acids of varying chain lengths.

Nutritional and dietary properties 
Trehalose is rapidly broken down into glucose by the enzyme trehalase, which is present in the brush border of the intestinal mucosa of omnivores (including humans) and herbivores. It causes less of a spike in blood sugar than glucose.  Trehalose has about 45% the sweetness of sucrose at concentrations above 22%, but when the concentration is reduced, its sweetness decreases more quickly than that of sucrose, so that a 2.3% solution tastes 6.5 times less sweet as the equivalent sugar solution.

It is commonly used in prepared frozen foods, like ice cream, because it lowers the freezing point of foods.

Deficiency of trehalase enzyme is unusual in humans, except in the Greenlandic Inuit, where it occurs in 10–15% of the population.

Metabolism 
Five biosynthesis pathways have been reported for trehalose. The most common pathway is TPS/TPP pathway which is used by organisms that synthesize trehalose using the enzyme trehalose-6-phosphate (T6P) synthase (TPS). Second, trehalose synthase (TS) in certain types of bacteria could produce trehalose by using maltose and another disaccharide with two glucose units as substrates. Third, the TreY-TreZ pathway in some bacteria converts starch that contain maltooligosaccharide or glycogen directly into trehalose. Fourth, in primitive bacteria, trehalose glycisyltransferring synthase (TreT) produces trehalose from ADP-glucose and glucose. Fifth, trehalose phosphorylase (TreP) either hydrolyses trehalose into glucose-1-phosphate and glucose or may act reversibly in certain species. Vertebrates do not have the ability to synthesize or store trehalose. Trehalase in humans is found only in specific location such as the intestinal mucosa, renal brush-border, liver and blood. Expression of this enzyme in vertebrates is initially found during the gestation period that is the highest after weaning. Then, the level of trehalase remained constant in the intestine throughout life. Meanwhile, diets consisting of plants and fungi contain trehalose. Moderate amount of trehalose in diet is essential and having low amount of trehalose could result in diarrhea, or other intestinal symptoms.

Medical use 
Trehalose is an ingredient, along with hyaluronic acid, in an artificial tears product used to treat dry eye. Outbreaks of Clostridium difficile were initially associated with trehalose,.  This finding was disputed in 2019.

History
In 1832, H.A.L. Wiggers discovered trehalose in an ergot of rye,  and in 1859 Marcellin Berthelot isolated it from Trehala manna, a substance made by weevils and named it trehalose.

Trehalose has long been known as an autophagy inducer that acts independently of mTOR. In 2017 research was published showing that trehalose induces autophagy by activating TFEB, a protein that acts as a master regulator of the autophagy-lysosome pathway.

See also 
 Biostasis
 Cryoprotectant
 Cryptobiosis
 Freeze drying
Lentztrehalose
Trehalosamine

References

External links 

Trehalose in sperm preservation

Carbohydrates
Disaccharides
Sugars
Orphan drugs
트레할로스()는 포도당 2분자로 구성된 이당류이다. 일부 세균, 균류, 식물 및 무척추동물은 트레할로스를 에너지원으로 합성하고, 결빙 및 물 부족에서 살아남기 위해 트레할로스를 이용하기도 한다.

트레할로스를 추출하는 것은 한 때 어렵고 비용이 많이 드는 과정이었지만, 2000년경에 하야시바라사(社) (일본, 오카야마)는 녹말로부터 트레할로스를 저렴하게 추출하는 기술을 개발했다. 트레할로스는 높은 보습 능력을 가지고 있으며, 식품, 화장품, 의약품에 사용된다.

구조 
트레할로스는 두 분자의 α-포도당 사이에 α(1→1)α 글리코사이드 결합에 의해 형성된 이당류이다. 다른 2가지 이성질체는 자연에서 발견되지 않는다. 트레할로스는 자연에서 이당류 및 일부 중합체에서 단위체로도 발견된다.

합성 
적어도 3가지의 생물학적 대사경로가 트레할로스의 생합성을 지원한다. 산업적인 공정을 통해 옥수수 녹말로부터 트레할로스를 얻을 수 있다.

특성

화학적 특성 
트레할로스는 2분자의 포도당이 α(1→1)α 글리코사이드 결합으로 연결되어 형성된 비환원당으로, 정식 계통명은 α-D-글루코피라노실-(1↔1)-α-D-글루코피라노사이드이다. 이러한 결합으로 인해 트레할로스는 산가수분해에 매우 강한 저항성을 가지게 되고, 높은 온도와 산성 조건에서도 안정성을 갖는다. 글리코사이드 결합은 알데하이드 또는 케톤 작용기가 단백질의 리신 또는 아르지닌 잔기에 결합(당화, glycation 이라고 불리는 과정)하지 않도록 비환원당을 폐쇄된 고리 형태로 유지시킨다. 트레할로스는 높은 온도(>80 °C)를 제외하고는 수크로스보다 용해도가 낮다. 트레할로스는 이수화물(dihydrate)로써 장사방형의 결정을 형성하고, 결정형에서 수크로스 열량 함량의 90%를 가지고 있다. 무수 형태의 트레할로스는 즉시 수분을 되찾아 이수화물을 형성하고, 열처리시 흥미로운 물리적 특성을 나타낼 수 있다.

트레할로스 수용액은 농도 의존성 클러스터링 경향을 나타낸다. 수소 결합을 형성할 수 있는 능력으로 인해, 트레할로스는 물에서 자가 결합하여 다양한 크기의 클러스터를 형성한다. 전체 원자 분자 동역학 시뮬레이션은 1.5~2.2몰의 농도를 보여주었고, 트레할로스 분자 클러스터가 여과되어 커다란 연속 응집체를 형성할 수 있음을 보여주었다.

트레할로스는 핵산과 직접적으로 상호작용하며, 이중 가닥 DNA의 용해를 촉진하고, 단일 가닥 핵산을 안정시킨다.

생물학적 특성 
세균, 효모, 균류, 곤충, 무척추동물, 식물에 이르는 생물체들은 트레할로스를 만들 수 있는 효소를 가지고 있다. 자연에서 트레할로스는 식물과 미생물에서 발견된다. 동물에서 트레할로스는 메뚜기, 나비, 벌 같은 곤충과 새우 등에 존재하는데, 트레할로스는 혈당으로 역할을 한다. 트레할로스는 이화 효소인 트레할레이스에 의해 포도당으로 분해되어 사용된다. 또한 트레할로스는 말벌과 말벌 애벌레의 영양 교환액에도 존재한다.

트레할로스는 곤충이 비행에 사용하는 주된 에너지 저장 탄수화물이다. 이에 대한 한 가지 가능한 이유는 곤충의 트레할레이스에 의해 트레할로스의 글리코사이드 결합이 분해될 때 두 분자의 포도당을 방출하게 되고, 이는 비행에 따른 빠른 에너지 공급이 가능하도록 한다. 이것은 하나의 글리코사이드 결합의 분해로 한 분자의 포도당 분자를 방출하는 저장 다당류인 녹말로부터 포도당이 방출되는 효율의 2배이다.

식물에서 트레할로스는 해바라기씨, 고사리삼속, 부처손속의 식물들, 해조류에서 볼 수 있다. 균류에서 트레할로스는 표고버섯, 느타리버섯, 새송이버섯, 팽나무버섯과 같은 일부 버섯류에서 발견된다.

식물계 내에서 사막과 산악지대에서 자라는 부처손속(때로는 부활초라고 부름) 식물은 갈라지고 말라버릴 수 있지만, 트레할로스의 기능으로 인해 비가 온 후에 다시 초록색으로 변하고 다시 생기를 찾을 수 있다.

크립토바이오시스(cryptobiosis) 상태에서 트레할로스가 생명체 내에서 어떻게 작용하는지에 관한 두 가지 유력한 이론은 얼음 형성을 방지하는 상태라고 설명하는 유리화(琉璃化, vitrification) 이론과 물을 트레할로스로 대체하는 물 치환(water displacement) 이론이다.

영양 및 식이 특성 
트레할로스는 잡식동물(사람을 포함)과 초식동물의 장 점막의 솔가장자리(brush border)에 존재하는 트레할레이스에 의해 포도당으로 빠르게 분해된다. 이는 포도당에 비해 혈당의 급격한 증가를 덜 일으킨다. 트레할로스는 22% 이상의 농도에서 수크로스의 약 45%에 해당하는 단맛을 낸다. 그러나 농도가 감소하면 트레할로스의 단맛은 수크로스의 단맛보다 빠르게 감소해서 2.3% 트레할로스 용액의 단맛은 같은 당량의 수크로스 용액의 단맛보다 6.5배 덜 달다.

트레할로스는 식품의 어는점을 낮추기 때문에 아이스크림과 같은 냉동식품에 일반적으로 사용된다.

카길사(社)는 "당신의 제품에 최고의 맛을 내기 위해 맛을 향상시키고 강화시키는" 물질로 트레할로스의 자사 브랜드인 "Treha"의 사용을 권장하고 있다.

트레할레이스 효소의 결핍은 인구의 10~15%가 결핍인 그린란드의 이누이트를 제외하고는 사람에게서 흔하지 않다.

의학적 사용 
트레할로스는 히알루론산과 함께 건성각결막염을 치료하는데 사용되는 인공 눈물 제품의 성분이다.

연구 
1832년에 H. A. L. 위거스(H. A. L. Wiggers)는 호밀의 맥각에서 트레할로스를 발견했고, 1859년에 피에르 베르텔로(Pierre Berthelot)는 바구미가 만드는 물질인 "Trehala manna"에서 물질을 분리하여 트레할로스(trehalose)라고 명명했다.

2018년 1월에 사람의 장에서 발견되는 세균인 Clostridium difficile의 일부 균주가 트레할로스에 반응한다는 것을 보여주는 연구가 발표되었다. 이 연구는 실험실에서 트레할로스를 공급했을 때 이들 균주들이 더 잘 자라고, 더 많은 독소를 생산한다는 것을 발견했다. 연구자들은 2000년경에 생산 비용이 낮아졌을 때 식료품에 트레할로스를 도입하는 시기와 병원에서 Clostridium difficile의 감염이 증가한 시기 사이에 상관관계가 있음을 지적하고, 트레할로스가 감염의 증가를 일으킬 수 있다고 시사했다. 그 당시에 트레할로스가 실제로 Clostridium difficile 감염의 증가를 유발했는지 또는 사람의 장에 있는 Clostridium difficile에 영향을 미쳤는지는 알져지지 않았다.

같이 보기 

 생물내성
 동결보호제
 크립토바이오시스
 동결 건조

각주

더 읽을거리
, discussing 2010 paper: .

탄수화물
이당류
감미료