Команда генетически модифицировала дрожжи для производства опиоидов
Исследователи из Стэнфорда генетически модифицировали дрожжи для производства обезболивающих лекарств. Этот прорыв знаменует собой более быстрый и потенциально менее затратный способ производства различных растительных лекарств.
В статье, опубликованной в Science, инженеры описывают, как они перепрограммировали генетический аппарат пекарских дрожжей, чтобы эти быстрорастущие клетки могли превращать сахар в гидрокодон всего за 3–5 дней.
Гидрокодон и его химические родственники, такие как морфин и оксикодон, — это опиоиды, получаемые из опийного мака. Производство партии лекарства традиционным способом может занимать более года, начиная с лицензированных ферм по выращиванию мака. Затем растительный материал должен быть собран, обработан и доставлен на фармацевтические заводы, где активные молекулы извлекаются и очищаются.
«Когда мы начали работу десять лет назад, многие эксперты считали, что невозможно создать дрожжи, которые заменят весь процесс от фермы до фабрики», — сказала старший автор Кристина Смолк, доцент биоинженерии в Стэнфорде.
Сейчас, хотя выход продукта мал — для производства одной дозы обезболивающего потребовалось бы 4400 галлонов (≈ 16 650 литров) биосинженерных дрожжей, — эксперимент доказывает, что модифицированные дрожжи могут производить сложные растительные лекарства.
«Это только начало. Методы, которые мы разработали и продемонстрировали для опиоидных обезболивающих, можно адаптировать для производства многих растительных соединений для борьбы с раком, инфекционными заболеваниями и хроническими состояниями, такими как высокое кровяное давление и артрит», — сказала Смолк.
От растения к пробиркам
Команда Смолк модернизирует процесс, вставляя точно сконструированные фрагменты ДНК в клетки (например, дрожжи), чтобы перепрограммировать их на производство целевых соединений.
Важным предшественником этой работы было использование генетически модифицированных дрожжей для производства противомалярийного препарата артемизинина. Эксперименты с артемизинином доказали возможность биосинтеза в дрожжах, но для этого потребовалось добавление только шести генов. Команде Стэнфорда пришлось встроить в дрожжи 23 гена, чтобы создать их клеточную сборочную линию для гидрокодона.
«Это самый сложный химический синтез, когда-либо созданный в дрожжах», — сказала Смолк.
Команда нашла и настроила фрагменты ДНК из других растений, бактерий и даже крыс. Эти гены позволили дрожжам производить все ферменты, необходимые для превращения сахара в гидрокодон.
Чтобы запустить эту сборочную линию, команде пришлось восполнить недостающее звено в базовой науке о растительных лекарствах. Многие растения, включая опийный мак, производят (S)-ретикулин, предшественник активных ингредиентов. В маке (S)-ретикулин естественным образом преобразуется в вариант (R)-ретикулин, который запускает путь к производству обезболивающих молекул.
Команда Смолк и две другие лаборатории недавно независимо друг от друга обнаружили, какой фермент осуществляет это преобразование. Но даже после добавления этого фермента в свою микробную фабрику дрожжи не производили достаточно опиоидного соединения. Поэтому они генетически модифицировали следующий фермент в процессе, чтобы увеличить выход. Они прошли всю цепочку, добавляя ферменты, включая шесть из крыс, чтобы в итоге получить молекулу, готовую воздействовать на болевые рецепторы в мозге.
Создано с целью
В своей статье авторы признают, что новый процесс производства опиоидных обезболивающих может усилить опасения по поводу их потенциального злоупотребления.
«Мы хотим открытого обсуждения, которое соберет вместе исследователей и политиков. Нам нужны варианты, чтобы помочь обеспечить наиболее ответственное развитие биологического производства лекарственных соединений», — сказала Смолк.
По ее словам, в США, где опиоидные лекарства уже широко доступны, внимание сосредоточено на потенциальном злоупотреблении. Но, по оценкам ВОЗ, 5,5 миллиардов человек имеют ограниченный или нулевой доступ к обезболивающим.
«Биотехнологическое производство может снизить затраты и, при надлежащем контроле над злоупотреблениями, позволит размещать биореакторы там, где они нужны», — сказала она.
Помимо создания штамма дрожжей для превращения сахара в гидрокодон, команда Стэнфорда разработала второй штамм, который может перерабатывать сахар в тебаин — предшественник других опиоидных соединений. Биотехнологический тебаин все равно потребует очистки на фармацевтических заводах, но это устранит задержку, связанную с выращиванием мака.
«Молекулы, которые мы произвели, и методы, которые мы разработали, показывают, что можно создавать важные лекарства с нуля, используя только дрожжи. При ответственном развитии мы сможем производить и справедливо обеспечивать лекарствами всех, кто в них нуждается», — заключила Смолк.