Многие люди, изготавливающие домашнее пиво или вино, знают о способности дрожжей превращать сахар в спирт. Группа биоинженеров из США и Канады разрабатывает методику, которая позволит превращать питающиеся сахаром дрожжи в микробные заводы по производству морфина и других лекарственных веществ, в том числе антибиотиков и противораковых препаратов.
В последние годы уже несколько биологических лабораторий сообщали о разработках в этой области. В основе метода разведение микроорганизмов, которые могут стать химической заменой цветам мака.
Исследовательские группы независимо друг от друга воссоздали различные способы производства лекарств с помощью кишечной палочки или дрожжей, однако почти все эти способы не позволяют выполнить задачу от начала до конца.
Специалисты из Калифорнийского университета во главе с биоинженером Джоном Дьюбером (John Dueber) и микробиологом Винсентом Мартином (Vincent Martin) из университета Конкордиа в Квебеке преодолели эти препятствия с помощью модифицированного штамма дрожжей. Эти микроорганизмы оказались способны синтезировать алкалоид ретикулин (reticuline) из тирозина, производного глюкозы, который преобразуется в молекулу L–DOPA.
"Мы стараемся производить лекарственные препараты таким способом: кормить дрожжи глюкозой, которая является дешёвым источником сахара, и при этом научить дрожжи делать все химические шаги, которые необходимы для производства молекул целевого терапевтического препарата, – рассказывает Дьюбер. – В нашем исследовании мы описали все необходимые этапы процесса, и теперь остаётся лишь связать их между собой и масштабировать производство. Эта задача сложная, но выполнимая".
Учёных и медиков интересуют алкалоиды бензилисохинолины (benzylisoquinolin) – класс высокоактивных биологических соединений, обнаруженных в маке. Они включают в себя около 2500 молекул, выделенных из растений.
Самые известные производные бензилисохинолинов – опиаты, такие как кодеин, морфин и тебаин, предшественник оксикодона и гидрокодона. Также есть способы получения спазмолитического средства папаверина или антибиотика дигидросангвинарина.
"Производство опиатов из мака состоит из 18 химических шагов, то есть является достаточно длительным и сложным, – рассказывает соавтор исследования Уильям Де Лоче (William DeLoache). – Однако, если бензилисохинолины будут производиться микробами, это резко снизит стоимость лекарств. Мы можем легко манипулировать и настраивать ДНК дрожжей и быстро проверять результаты".
Растения по сравнению с модифицированными микроорганизмами растут долго и производят малые количества нужных веществ. Растениям также нужны определённые условия, которые можно соблюсти только в нескольких странах мира. Понятно, что при таких ограничениях рано или поздно будут придуманы методы синтетической биологии, которые позволят создавать необходимые вещества более эффективно.
Сейчас биоинженеры изучают различные гены растений, организма человека и даже насекомых, которые будучи встроенными в геном дрожжей, могли бы ускорить нужные реакции. Учёные научились использовать выгоды мутаций, которые позволяют получить наиболее "полезные" версии генов для улучшения производства нужных веществ. Но пока никто не смог получить "фабрику", которая бы воспроизводила весь процесс от начала до конца в одном организме.
Но исследователи из США и Канады сделали важный шаг: они обнаружили, что использование фермента свёклы может дать дрожжам возможность преобразовывать тирозин в дофамин.
В лаборатории университета Конкордиа исследователи смогли полностью воссоздать путь преобразования тирозина в ретикулин с использованием дрожжей.
"Путь к созданию ретикулина крайне важен, так как последующие шаги по производству кодеина и морфина уже разработаны, – объясняет Мартин. – Также мы сможем в дальнейшем изучить пути получения различных других лекарственных препаратов, не только опиатов".
Несмотря на очевидные преимущества нового подхода, авторы обеспокоены, что их открытие значительно упрощает путь к созданию нелегальных препаратов. Исследователи призывают правоохранительные органы обратить на это внимание.
"Вероятно, уже через пару лет, а в лучшем случае даже через несколько месяцев, мы сможет производить качественные лекарственные вещества из питающихся сахаром дрожжей, – говорит Дьюбер. – Так как наши разработки двигаются достаточно быстро, мы должны учесть то, что ими могут злоупотреблять".
Среди рекомендаций — ограничение на использование инженерных штаммов дрожжей лицензированными исследователями. Ведь обнаружить и проконтролировать незаконные перевозки модифицированных дрожжей будет крайне непросто.
Подробности исследования были опубликованы в журнале Nature Chemical Biology.
