Биоинженеры близки к созданию опиоидных обезболивающих без мака

Веками маковые растения выращивали для получения опиума — соединения, из которого производятся морфин и другие важные лекарства, такие как оксикодон.

Теперь биоинженеры из Стэнфорда изменили ДНК дрожжей, перепрограммировав эти простые клетки для производства опиоидных лекарств с помощью сложного расширения основного процесса брожения, используемого для создания пива.

Под руководством доцента биоинженерии Кристины Смолк команда Стэнфорда уже потратила десять лет на генную инженерию дрожжевых клеток для воспроизведения биохимии мака. Их конечная цель — полностью производить опиумные лекарства в ферментационных чанах.

«Теперь мы очень близки к воспроизведению всего процесса производства опиоидов таким образом, который устраняет необходимость выращивания мака. Это позволит нам надежно производить необходимые лекарства, одновременно снижая потенциал их перехода в нелегальное использование», — сказала Смолк, описывающая свою работу в выпуске Nature Chemical Biology от 24 августа.

В новом отчете Смолк и ее коллеги — постдокторант биоинженерии Кейт Тодей и докторант химии Стефани Галани — подробно описывают, как они добавили пять генов от двух разных организмов в дрожжевые клетки. Три из этих генов взяты из самого мака, а остальные — из бактерии, обитающей на стеблях мака.

Этот мульти-видовой генетический «микс» был необходим, чтобы превратить дрожжи в клеточные фабрики, воспроизводящие два, пока раздельных процесса: как природа производит опиум в маках, и как фармакологи используют химические процессы для дальнейшей очистки опиумных производных в современные опиоидные препараты, такие как гидрокодон.

От растений к таблеткам сегодня

Растительный опиум использовался и подвергался злоупотреблению веками, но современную историю можно начать с применения морфина во время Второй мировой войны.

Морфин — одно из трех основных обезболивающих, получаемых из опиума. Как класс они называются опиатами. Два других важных опиата — это кодеин (использовался как средство от кашля) и тебаин, который далее очищается химическими процессами для создания более ценных терапевтических средств, таких как оксикодон и гидрокодон, известных под торговыми марками OxyContin и Vicodin соответственно.

Сегодня легальное выращивание мака ограничено несколькими странами (включая Австралию, Францию, Венгрию, Индию, Испанию и Турцию) и контролируется Международным комитетом по контролю над наркотиками, который стремится предотвратить, например, переработку опиатов вроде морфина в нелегальный героин.

Крупнейший рынок легальных опиатов и их опиоидных производных — США, где фармацевтические заводы используют химические процессы для создания очищенных продуктов, используемых в качестве обезболивающих таблеток. Однако мак в значительных количествах в США не выращивается, что создает различные международные зависимости и уязвимости в поставках этих важных лекарств.

Превращение дрожжей в фармацевтическую фабрику

Суть работы Смолк в течение десятилетия заключалась в том, чтобы упаковать всю производственную цепочку — от полей мака через все последующие этапы химической очистки — в дрожжевые клетки с помощью инструментов биоинженерии.

Команда Смолк тщательно перепрограммировала геном дрожжей — главный набор инструкций, который говорит каждому организму, как жить, — чтобы они вели себя как мак в части производства опиатов.

Процесс включал не просто добавление новых генов в дрожжи. Молекулы опиоидов — сложные трехмерные объекты. В природе они создаются в специфических областях внутри мака. Поскольку дрожжевые клетки не имеют этих сложных структур и тканей, команде Стэнфорда пришлось воссоздать эквивалент макоподобных «химических соседств» внутри своих биоинженерных дрожжевых клеток.

Для создания опиоидных соединений, используемых в таблетках, требуется около 17 отдельных химических этапов. Некоторые из этих этапов происходят естественно в маках, а остальные — с помощью синтетических химических процессов на фабриках. Команда Смолк хотела, чтобы все этапы происходили внутри дрожжевых клеток в одном чане, включая использование дрожжей для проведения химических процессов, которые мак никогда не эволюционировал выполнять, — например, очистку опиатов вроде тебаина в более ценные полусинтетические опиоиды, такие как оксикодон.

Поэтому Смолк запрограммировала свои биоинженерные дрожжи выполнять эти финальные промышленные шаги тоже. Для этого она наделила дрожжи генами от бактерии, которая питается отмершими стеблями мака. Поскольку команда хотела производить несколько разных опиоидов, они взломали геном дрожжей немного разными способами для производства каждого из немного разных опиоидных составов, таких как оксикодон или гидрокодон.

Недостающее звено

Все это было продемонстрировано в новой статье. Но команде Смолк все еще необходимо преодолеть еще одно препятствие, чтобы достичь цели: засыпать сахар в нержавеющий чан с биоинженерными дрожжами и снять с поверхности специфические опиоиды в конце процесса. Им необходимо выполнить еще один набор биоинженерных модификаций, чтобы соединить два основных достижения, сделанных за последнее десятилетие.

Напомним, что от мака до таблетки требуется около 17 химических шагов. Когда она начала работу в 2004 году, Смолк стартовала в начале процесса и прошла примерно половину этих химических шагов. В статье 2008 года она сообщила об успехе в этой первой фазе проекта, когда ее биоинженерные дрожжи произвели предшественник тебаина — одного из трех основных опиатов.

В своей новой статье Смолк начала с тебаина, полученного из мака, поместила его в свои биоинженерные дрожжи и получила очищенные опиоиды на выходе.

Теперь ее команда должна расширить процесс 2008 года от сахара до тебаина. Как только она создаст это недостающее звено в цепи биохимического синтеза, у нее будут биоинженерные дрожжи, способные выполнить все 17 шагов от сахара до специфических опиоидных препаратов в одном чане.

«Мы уже работаем над этим», — сказала она.

Смолк заявила, что может потребоваться еще несколько лет, чтобы усовершенствовать эти последние шаги в лаборатории и масштабировать процесс для производства больших партий биоинженерных опиоидов, фармакологически идентичных сегодняшним препаратам, которые начинаются в поле и очищаются на фабриках.

«Это позволит нам создать надежное снабжение этими необходимыми лекарствами способом, который не зависит от хороших или плохих урожаев в течение многих лет, — сказала Смолк. — У нас будут более устойчивые, экономически эффективные и безопасные методы производства этих важных препаратов».