От древни времена винопроизводителите, пивоварите и пекарите са впрегнали ферментационните свойства на дрождите, за да квасят хляба и да произвеждат алкохолни либации. Но сега екип от учени от университета в Станфорд генетично е модифицирал този ренесансов микроб с уникална цел: изпомпване на опиатни обезболяващи.
Свързано съдържание
- Четирихилядната история на Аспирин
- 11 причини да обичате бактерии, гъбички и спори
- Честотата на предозиране на САЩ с хероин почти четворни
Въпреки че е малко вероятно да намерите никакви опиати в местната микро пивоварна в скоро време, резултатите показват голямо обещание за ускоряване на процеса на производство на тези лекарства, както и за отваряне на врати за откриване на нови лекарства.
„Много от нашите лекарства се пренасочват към производство чрез биотехнологии“, казва авторът на изследването Кристина Смолке, доцент по биоинженеринг в Станфорд. „Растенията правят наистина сложна биохимия за производството на тези съединения, но предизвикателството е, че не е задължително да се справят ефикасно.“
В исторически план всички опиатни болкоуспокояващи са получени от опиумния мак, който законно се отглежда в места като Австралия, Европа и Индия и се транспортира до производствени центрове. След това растителните съединения се изолират, рафинират и превръщат в лекарства, отпускани по лекарско предписание, в процес, който може да отнеме година или повече от фермата до фармацията.
Както всеки друг продукт, зависим от културата, опиатите могат да бъдат обект на зараза от вредители, суша, промени в климата и други променливи, способни да ограничат производството на познати лекарства като морфин, кодеин, оксикодон и хидрокодон (по-често известни с марката Vicodin ). Като се имат предвид тези ограничения, изследователите искаха да компресират целия фермерски и производствен процес в един биореактор, който може да произведе болкоуспокояващи за няколко дни.
„Искахме да покажем, че можете да вземете процес, който традиционно се разпределя както в биологичен, така и в химичен синтез и да го интегрирате изцяло в рамките на синтез в дрожди“, казва Смолке.
Насърчаваха прецеденти за създаване на лекарства на растителна основа, използващи синтетична биология. През 2006 г. антималарийното лекарство артемизинин, получено от дървото на сладкия пелин, е успешно произведено от генетично променени клетки на дрожди. Този процес на биосинтеза се разширява бързо - произведен от дрожди артемизинин в момента представлява приблизително една трета от световните доставки. И по-рано тази година екип от UC Berkeley разработи пивни дрожди, за да направи един от градивите на морфина.
За да присвоят дрождите си по биохимичния път на опиатите, изследователите от Станфорд първо трябваше да разрушат и генетично да създадат отново всяка стъпка, активирана от ензима, във веригата за синтез, която превръща тирозин, аминокиселина, която дрождите правят от захар, в thebaine, предшественик за много общи опиоидни болкоуспокояващи. След това учените могат да вмъкнат гените, необходими за превръщането на thebaine в хидрокодон. Но след всички тези биохимични строителни работи екипът се сблъска с техническо препятствие - те не успяха да създадат достатъчно количество опиоиден продукт. Те откриха, че маята неправилно чете указанията за направата на протеина, необходим за достигане на ключов етап в производствената линия.
„След това трябваше да пренапишем инструкциите за това как дрождите трябва да правят протеина, така че той да моделира по-отблизо как растението го прави“, казва Смолке. В края на процеса изследователите са реконструирали дрождните клетки с 23 нови гена от различни организми, включително няколко растителни вида, плъхове и бактерии. Дори и сега, цялостният процес е твърде неефективен, изисква повече от 4 400 галона мая за производството на една доза хидрокодон.
"Според нашите оценки, ние трябва да подобрим ефективността на процеса 100 000 пъти, за да сме готови за търговско производство", казва Смолке, чийто екип отчита резултатите за тази седмица в Science . „Но ние вярваме, че това е възможно и вече сме започнали тази работа.“
Авторите посочват няколко предимства, които биха се получили от оптимизиране на техния процес. Първо, това би намалило значително производствените разходи за опиати, създавайки възможности за достигане до приблизително 5, 5 милиарда души, които имат ограничен достъп до лекарства за болка. И тъй като това е изцяло самостоятелен процес, той може да се проведе навсякъде - премахване на зависимостта от география и климат, като същевременно позволява по-голямо ограничаване и контрол на качеството. Интегрираният синтез на дрожди освобождава земя и за други видове земеделие - отглеждането на захарна тръстика за захранване на дрождите заема далеч по-малка площ от тази, необходима за отглеждането на мак.
Но може би най-голямото предимство на тази технология идва от нейната гъвкавост за изследване на нови лекарствени съединения, които са по-ефективни и имат по-малко странични ефекти.
„Хората работят върху всички видове много интересни алтернативи на конвенционалните опиати“, казва Кенет Ой, доцент по политически науки и инженерни системи в Масачузетския технологичен институт. „Голямото предимство на преминаването от традиционните техники за производство към тези пътища за синтез в дрожди е, че пътищата са много по-лесно модифицирани, което позволява по-лесен синтез на нови съединения.“
И все пак улесняването на производството на опиати има важни съображения за безопасност и злоупотреба.
„Не мисля, че напрежението, разработено от лабораторията на Кристина Смолке, представлява голяма заплаха за общественото здраве и безопасност, “ казва Ой. Наистина, Smolke наскоро изпробва жизнеспособността на техния щам при домашни условия и установи, че той не дава опиати. „Но ако някой е разработил щам на дрожди с път, който преминава от глюкоза към хероин с висока ефективност, тогава имате проблем. Такъв щам може да има потенциал за опиати в домашни условия. "
Oye също така изтъква, че ако се развие такъв щам от дрожди, контролът върху разпространението би бил изключително труден. „Това е нещо, което може да бъде възпроизведено сравнително лесно и би било трудно да се съдържа или припомня“, казва той. Той твърди, че ранният диалог е от съществено значение за гарантиране на безопасни технически и политически предпазни мерки, като например инженерните щамове за дрожди, които да бъдат зависими от хранителните вещества, които са трудни за получаване, вмъкване на маркери, които биха могли да помогнат при откриването и повишаване на сигурността в лабораторията. „В много случаи вашите възможности за намаляване на потенциалния риск са ограничени след приключване на работата“, казва Ой.
Смолке се съгласява и добавя: „Вярвам, че трябва да има открит обсъдителен процес за обсъждане на истинските проблеми и как да се разработят стратегии за смекчаване на тези рискове. Той не зависи само от технологията, но и от политиците, органите на реда и медицинската общност. И ако това изследване катализира дискусия около това, мисля, че това е наистина важно. "
