С древних времен виноделы, пивовары и пекари использовали ферментационные свойства дрожжей для закваски и производства алкогольных возлияний. Но теперь группа ученых из Стэнфордского университета генетически модифицировала этот ренессансный микроб с уникальной целью: откачкой опиатных обезболивающих.
Связанный контент
- Четыре тысячи лет аспирина
- 11 причин любить бактерии, грибы и споры
- Уровень передозировки героина в США почти в четыре раза
Хотя вы вряд ли найдете какие-либо опиаты на местном пивоваренном заводе в ближайшее время, результаты показывают большие перспективы в ускорении процесса производства этих лекарств, а также в открытии дверей для открытия новых лекарств.
«Многие из наших лекарств переводятся на производство с помощью биотехнологий», - говорит автор исследования Кристина Смольке, доцент кафедры биоинженерии в Стэнфорде. «Растения действительно делают сложную биохимию для производства этих соединений, но проблема в том, что они не обязательно делают это эффективно».
Исторически все опиатные болеутоляющие были получены из опийного мака, который выращивается на законных основаниях в таких местах, как Австралия, Европа и Индия, и доставляется в производственные центры. Затем растительные соединения выделяют, очищают и превращают в отпускаемые по рецепту лекарства, причем этот процесс может занимать год или более от фермы до аптеки.
Как и любой другой продукт, зависящий от сельскохозяйственных культур, опиаты могут подвергаться заражению вредителями, засухе, изменениям климата и другим переменным факторам, способным ограничивать производство привычных лекарств, таких как морфин, кодеин, оксикодон и гидрокодон (более широко известный под торговой маркой Vicodin). ). Учитывая эти ограничения, исследователи хотели сжать весь процесс фермерства и производства в единый биореактор, который мог бы производить обезболивающие в течение нескольких дней.
«Мы хотели показать, что вы можете взять процесс, который традиционно распределен по биологическому и химическому синтезу, и полностью интегрировать его в маршрут синтеза в дрожжах», - говорит Смолке.
Существуют обнадеживающие прецеденты для создания растительных лекарств с использованием синтетической биологии. В 2006 году противомалярийный препарат артемизинин, полученный из сладкой полыни, был успешно получен из генетически измененных дрожжевых клеток. Этот процесс биосинтеза быстро расширяется - на произведенный дрожжами артемизинин в настоящее время приходится примерно треть мировых поставок. А в начале этого года команда из Калифорнийского университета в Беркли разработала пивные дрожжи, чтобы сделать один из строительных блоков морфина.
Чтобы уговорить свои дрожжи по биохимическому пути опиатов, исследователи из Стэнфорда сначала должны были разрушить и генетически воссоздать каждый шаг фермента в цепи синтеза, который превращает тирозин, аминокислоту, которую дрожжи превращают из сахара, в тебаин, предшественник для многих распространенных опиоидных болеутоляющих. Затем ученые могли бы вставить гены, необходимые для превращения тебаина в гидрокодон. Но после всех этих биохимических строительных работ команда столкнулась с техническим препятствием - они не смогли создать достаточное количество опиоидного продукта. Они обнаружили, что дрожжи неправильно понимают, как сделать белок, необходимый для достижения ключевой стадии производственной линии.
«Затем нам пришлось переписать инструкции о том, как дрожжи должны вырабатывать белок, чтобы более точно смоделировать, как это делает растение», - говорит Смолке. К концу этого процесса исследователи реконструировали клетки дрожжей с 23 новыми генами из различных организмов, включая несколько видов растений, крыс и бактерий. Даже сейчас, однако, общий процесс слишком неэффективен, и для производства одной дозы гидрокодона требуется более 4400 галлонов дрожжей.
«По нашим оценкам, мы должны были бы повысить эффективность процесса в 100 000 раз, чтобы быть готовыми к коммерческому производству», - говорит Смолке, чья команда сообщает о результатах на этой неделе в Science . «Но мы считаем, что это возможно, и уже начали эту работу».
Авторы указывают на ряд преимуществ, которые могут возникнуть в результате оптимизации их процесса. Во-первых, это значительно сократит производственные затраты на опиаты, создав возможности для охвата примерно 5, 5 миллиардов человек, которые имеют ограниченный доступ к обезболивающим препаратам. А поскольку это полностью автономный процесс, он может происходить где угодно - устраняя зависимость от географии и климата, обеспечивая при этом большую сдержанность и контроль качества. Интегрированный синтез дрожжей также освобождает землю для других видов сельского хозяйства - выращивание сахарного тростника для кормления дрожжей занимает гораздо меньшую площадь, чем требуется для выращивания мака.
Но, пожалуй, самое большое преимущество этой технологии заключается в ее гибкости для изучения новых лекарственных соединений, которые являются более эффективными и имеют меньше побочных эффектов.
«Люди работают над всеми типами очень интересных альтернатив обычным опиатам», - говорит Кеннет Ое, доцент кафедры политологии и технических систем в Массачусетском технологическом институте. «Большое преимущество перехода от традиционных методов производства к этим путям синтеза в дрожжах заключается в том, что эти пути гораздо легче модифицировать, что облегчает синтез новых соединений».
Тем не менее, облегчение производства опиатов имеет важные соображения безопасности и злоупотребления.
«Я не думаю, что штамм, разработанный лабораторией Кристины Смолке, представляет собой серьезную угрозу общественному здоровью и безопасности», - говорит Ой. Действительно, Smolke недавно проверил жизнеспособность их штамма в домашних условиях и обнаружил, что он не производит опиаты. «Но если кто-то разработает штамм дрожжей с высокой эффективностью от глюкозы к героину, то у вас есть проблема. Такое напряжение может иметь потенциал для опиатов домашнего приготовления ».
Ой также указывает, что если бы был разработан такой штамм дрожжей, контроль над распределением был бы чрезвычайно трудным. «Это то, что может быть воспроизведено довольно легко, и его будет трудно сдержать или вспомнить», - говорит он. Он утверждает, что ранний диалог необходим для обеспечения безопасных технических и политических мер предосторожности, таких как разработка штаммов дрожжей, которые зависят от питательных веществ, которые трудно получить, вставка маркеров, которые могут помочь в обнаружении, и повышение безопасности лаборатории. «Во многих случаях ваши варианты снижения потенциального риска ограничены после завершения работы», - говорит Ой.
Смолке соглашается, добавляя: «Я считаю, что должен быть открытый совещательный процесс для обсуждения реальных проблем и того, как разрабатывать стратегии для снижения этих рисков. Это зависит не только от технологий, но и от политиков, правоохранительных органов и медицинского сообщества. И если это исследование стимулирует дискуссию вокруг этого, я думаю, что это действительно важно ».
