Биоинженеры создали дрожжи для производства сложного лекарства
Исследователи из Стэнфордского университета разработали способ производства носкапина — ненаркотического противокашлевого средства, природного происхождения из опийного мака, — в пивоваренных дрожжах.
Для этого ученые внедрили в одноклеточный грибок 25 чужеродных генов, превратив его в эффективную фабрику по производству лекарства. Большинство генов взяты из мака, но несколько — из других растений и даже из крыс. Все эти гены кодируют ферменты — белковые машины, которые, работая вместе, могут создавать сложные вещества из простых исходных материалов.
Исследователи также модифицировали некоторые растительные, крысиные и дрожжевые гены, а также среду для роста дрожжей, чтобы улучшить совместную работу всей системы. В результате выход носкапина увеличился в 18 000 раз по сравнению с результатом простого внедрения генов растений и крыс в дрожжи.
"Это технология, которая изменит способ производства важнейших лекарств", — говорит Кристина Смолке, профессор биоинженерии.
Для коммерческой жизнеспособности необходим еще стократный прирост производительности, но его можно достичь, перейдя от лабораторных колб к крупным биореакторам.
Исследование будет опубликовано 2 апреля в Proceedings of the National Academy of Sciences. Старший автор — Кристина Смолке. Ведущие авторы — Янран Ли (ныне доцент Калифорнийского университета в Риверсайде) и постдок Сыцзинь Ли.
Перспективы в онкологии
Противокашлевой эффект носкапина открыт в 1930 году. С 1960-х препарат широко используется в Азии, Европе, Южной Америке, Канаде, Австралии и Южной Африке. Доклинические испытания показывают его потенциал как противоракового средства с меньшей токсичностью для здоровых клеток по сравнению с современной химиотерапией.
Единственный жизнеспособный источник носкапина — опийный мак. Его производство занимает целый год, требует дорогого контроля из-за наркотического потенциала сырья и ограничено строгими правилами. Растения легально выращивают лишь в нескольких регионах: половина мирового производства — в Австралии, остальное — в Индии, Франции, Турции и Венгрии, что делает глобальные поставки уязвимыми к местным условиям. Кроме того, природный носкапин необходимо тщательно очищать от множества сопутствующих молекул, включая наркотические.
Дрожжи, созданные группой Смолке, производят значительные количества носкапина за 3–4 дня. Ученые добились этого, объединив три отдельных участка пути биосинтеза носкапина в одном штамме дрожжей.
Первоначально выход был незначительным. "Молекулярные конвейеры растений эволюционировали для их выживания, а не для производства больших объемов нужных нам веществ", — поясняет Смолке. — "К тому же мы помещаем их в дрожжи — чужеродную среду. Клетки дрожжей и мака во многом похожи, но в некоторых аспектах они различны, как Земля и Марс".
Синтез сложных химических веществ требует слаженной работы целой линии ферментов. Как на заводском конвейере, слишком низкая или высокая активность на любом этапе может остановить всю линию. Ферментам также нужны энергия и вспомогательные молекулы, которых может быть много в родном организме, но не в дрожжевой клетке.
Солдаты на Марсе
"Это как взять пару десятков солдат из разных подразделений, отправить их на Марс и сказать каждому: 'Теперь я не только отправляю тебя на Марс, но хочу, чтобы ты здесь серьезно поработал, и чтобы ты сотрудничал с этими другими солдатами, с которыми ты раньше не работал'", — говорит Смолке. — "Мы модифицировали их, чтобы они сохраняли форму на этой планете и лучше ладили друг с другом, и подтолкнули дрожжи помочь этим ферментам получить необходимые для работы ресурсы".
Среди прочего, это потребовало внедрения крысиных генов, отвечающих за производство дофамина — ключевого промежуточного продукта в синтезе носкапина. Производство дофамина у растений изучено плохо, а у млекопитающих ферменты, ответственные за его синтез, исследованы интенсивно из-за важной роли дофамина в нервной системе.
Ученые использовали инструмент редактирования генов CRISPR для изменения внедренных генов, чтобы кодируемые ими ферменты работали максимально эффективно в новой среде с иной кислотностью, осмотическими характеристиками и химическим составом. Они также усилили в дрожжах производство одного химического вещества, уровень которого в противном случае был бы слишком низким для устойчивого синтеза носкапина.
"Мы больше не ограничены тем, что может создать природа. Мы вступаем в эпоху, когда можем заимствовать у природы процессы производства лекарств и, используя генную инженерию, строить миниатюрные живые фабрики, которые делают то, что мы хотим".
Офис по лицензированию технологий Стэнфорда имеет ожидающие патента на интеллектуальную собственность, связанную с этим исследованием.
Биотехнологическая компания Antheia Inc., соучредителем которой в 2015 году стала Смолке, лицензировала технологию у Стэнфорда и сейчас работает над коммерциализацией производства носкапина в дрожжах. Смолке является генеральным директором Antheia.