Поклонники доморощенных пивных и спиннинговых заводов уже знают, как использовать дрожжи для превращения сахара в спирт.
Теперь биоинженеры пошли намного дальше, выполнив ключевые шаги, необходимые для превращения дрожжей с сахаром в микробную фабрику для производства морфина и потенциально других лекарств, включая антибиотики и противораковые терапии.
За последнее десятилетие несколько лабораторий синтетической биологии работали над воспроизведением в микробах сложного 15-ступенчатого химического пути в растении мака, что позволило производить терапевтические лекарства.
Исследовательские группы самостоятельно воссоздавали различные разделы пути наркотиков мака, используя E. палочки или дрожжей, но то, что до сих пор отсутствовало, было последними шагами, которые позволили бы одному организму выполнить задачу от начала до конца.
Выполнимой вызов
Новое исследование, опубликованное в Интернете в журнале Природа Химическая биология показывает, как исследователи преодолели это препятствие путем репликации первые шаги в пути в сконструированного штамма дрожжей. Они были способны синтезировать reticuline, соединение в мака, из тирозина, производного глюкозы.
«То, что вы действительно хотите сделать с точки зрения ферментации, - это способность кормить дрожжевую глюкозу, которая является дешевым источником сахара, и заставить дрожжи делать все химические шаги, требуемые вниз по течению, чтобы сделать ваш целевой терапевтический препарат», - говорит Джон Дебер , главным исследователем исследования и доцентом биоинженерии в Калифорнийском университете в Беркли.
«С нашим исследованием все этапы описаны, и теперь речь идет о их объединении и расширении процесса. Это не тривиальный вызов, но это выполнимо ».
Путь мака
Качества, которые делают путь растения мака столь сложным, - те же самые, которые делают его такой привлекательной мишенью для исследований.
Это сложно, но это основа, на которой исследователи могут создавать новые терапевтические средства. Алкалоиды бензилизохинолина или BIA являются классом высокоактивных соединений, обнаруженных в маке, и это семейство включает некоторые молекулы 2,500, выделенные из растений.
Возможно, наиболее известной тропой в пути BIA является та, которая приводит к опиатам, таким как кодеин, морфин и тебаин, предшественник оксикодона и гидрокодона. Все это контролируемые вещества. Но различные тропы приведут к спазмолитическому папаверину или к предшественнику антибиотика dihydrosanguinarine.
«У растений есть медленные циклы роста, поэтому трудно полностью изучить все возможные химические вещества, которые могут быть сделаны из пути BIA, генетически разрабатывая мак», - говорит ведущий автор Уильям ДеЛоах, аспирант по биоинженерии. «Перемещение пути BIA к микробам резко снижает стоимость открытия лекарств. Мы можем легко манипулировать и настраивать ДНК дрожжей и быстро проверять результаты ».
Пополняя фермент из свеклы, который, естественно, используется для производства их ярких пигментов, исследователи могли коаксировать дрожжи для превращения тирозина, аминокислоты, легко получаемой из глюкозы, в дофамин.
Красный флаг для регуляторов
С помощью лаборатории Винсента Мартина, профессора микробной геномики и инженерии в Университете Конкордия, исследователи смогли восстановить полный семиферментный путь от тирозина до ретикулина у дрожжей.
«Получение ретикулина имеет решающее значение, потому что оттуда молекулярные стадии, которые производят кодеин и морфин из ретикулина, уже описаны у дрожжей», - говорит Мартин. «Кроме того, ретикулин является молекулярным центром в пути BIA. Оттуда мы можем исследовать множество разных путей к другим потенциальным лекарствам, а не только опиатам ».
Обнаружение резко ускоряет работу часов, когда домашние пивоварения могут стать реальностью, говорят исследователи, предупреждая, что регуляторы и должностные лица правоохранительных органов должны обратить внимание.
«Мы, вероятно, смотрим на график нескольких лет, а не на десятилетие или более, когда дрожжи с сахаром могут надежно вырабатывать контролируемое вещество», - говорит Дебер. «Настало время подумать о политике, направленной на решение этой области исследований. Поле движется неожиданно быстро, и нам нужно быть впереди, чтобы мы могли смягчить потенциал злоупотреблений ».
В комментарии, опубликованном в природа и приуроченные к публикации нового исследования, аналитики политики требуют срочного регулирования этой новой технологии. Они подчеркивают многие преимущества этой работы, но они также указывают, что «люди, имеющие доступ к дрожжевому штамму и основным навыкам брожения, смогут выращивать дрожжи, используя эквивалент набора доморощенного».
Они рекомендуют ограничивать сконструированных штаммов дрожжей для лицензированных объектов и уполномоченных исследователей, отметив, что было бы трудно обнаружить и контролировать незаконную перевозку таких штаммов.
Хотя такой контроль может помочь, Дебер говорит: «Еще одна проблема заключается в том, что, когда знания о том, как создать штамм-продуцент опиума, там, любой, кто обучен базовой молекулярной биологии, теоретически может построить его».
Еще одной целью регулирования будут компании, которые синтезируют и продают последовательности ДНК. «Ограничения уже существуют для последовательностей, связанных с патогенными организмами, такими как оспа», - говорит ДеЛоач. «Но, может быть, пришло время и посмотреть на последовательности для производства контролируемых веществ».
Источник: Калифорнийского университета, Беркли
