Siden eldgamle tider har vinprodusenter, bryggerier og bakere utnyttet gjæringsegenskapene til gjær til surdeigsbrød og produsert alkoholiske frigjøringer. Men nå har et team av forskere ved Stanford University genetisk modifisert denne renessansemikroben for et unikt formål: å pumpe ut opiat-smertestillende.
Relatert innhold
- Aspirins firetusen år lange historie
- 11 grunner til å elske bakterier, sopp og sporer
- USAs Heroin overdose rate nesten firedobler
Selv om du neppe snart vil finne noen opiater hos det lokale mikrobryggeriet, viser resultatene store løfter om å få fortgang i produksjonsprosessen for disse medisinene, samt åpne dører for oppdagelse av nye medisiner.
"Mange av medisinene våre blir flyttet til produksjon av bioteknologi, " sier studieforfatter Christina Smolke, førsteamanuensis i bioingeniørarbeid ved Stanford. "Planter gjør virkelig sofistikert biokjemi for å lage disse forbindelsene, men utfordringen er at de ikke nødvendigvis gjør det effektivt."
Historisk sett er alle opiat smertestillende stammer fra opiumsvalmuen, som er lovlig dyrket på steder som Australia, Europa og India og sendt til produksjonssentre. Planteforbindelsene blir deretter isolert, raffinert og omdannet til reseptbelagte medisiner i en prosess som kan ta et år eller mer fra gård til apotek.
Som alle andre avlingsavhengige produkter, kan opiater være utsatt for skadedyrsangrep, tørke, klimaendringer og andre variabler som kan begrense produksjonen av kjente medisiner som morfin, kodein, oksykodon og hydrokodon (mer kjent blant merkenavnet Vicodin ). Gitt disse begrensningene, ønsket forskerne å komprimere hele oppdretts- og produksjonsprosessen til en enkelt bioreaktor som kunne produsere smertestillende i løpet av noen dager.
"Vi ønsket å vise at du kunne ta en prosess som tradisjonelt er fordelt på både biologisk og kjemisk syntese og integrere den helt i en syntesevei i gjær, " sier Smolke.
Oppmuntrende presedenser fantes for å lage plantebaserte medisiner ved bruk av syntetisk biologi. I 2006 ble det anti-malaria medikamentet artemisinin, avledet fra det søte malurtreet, produsert med hell fra genetisk endrede gjærceller. Denne biosynteseprosessen ekspanderte raskt - gjærprodusert artemisinin utgjør i dag omtrent en tredjedel av verdens forsyning. Og tidligere i år konstruerte et team ved UC Berkeley bryggergjær for å lage en av byggesteinene til morfin.
For å lempe gjæren sin nedover den biokjemiske veien for opiater, måtte Stanford-forskerne først bryte ned og genetisk lage hvert enzymaktiverte trinn i syntesekjeden som konverterer tyrosin, en aminosyre gjæren lager fra sukker, til thebin, en forløper for mange vanlige smertestillende opioider. Forskerne kunne da sette inn genene som er nødvendige for å konvertere thebin til hydrokodon. Men etter alt dette biokjemiske byggearbeidet, fikk teamet et teknisk hinder - de klarte ikke å lage en tilstrekkelig mengde opioidprodukt. De oppdaget at gjæren feilles instruksjonene for å gjøre proteinet nødvendig for å nå et viktig stadium i produksjonslinjen.
"Vi måtte da omskrive instruksjonene for hvordan gjær skulle lage proteinet slik at det nærmere modellerte hvordan planten gjorde det, " sier Smolke. Ved slutten av prosessen hadde forskerne rekonstruert gjærcellene med 23 nye gener fra en rekke organismer, inkludert flere plantearter, rotter og bakterier. Selv den totale prosessen er imidlertid for ineffektiv, og krever mer enn 4.400 gallon gjær for å produsere en enkelt dose hydrokodon.
"Etter våre estimater, må vi forbedre effektiviteten i prosessen med 100 000 ganger for å være klar for kommersiell produksjon, " sier Smolke, hvis team rapporterer resultatene denne uken i Science . "Men vi tror dette er gjennomførbart og har allerede begynt det arbeidet."
Forfatterne peker på flere fordeler som ville resultert ved å optimalisere prosessen. For det første vil det redusere produksjonskostnadene for opiater betydelig, og skape muligheter for å nå anslagsvis 5, 5 milliarder mennesker som har begrenset tilgang til smertestillende medisiner. Og fordi dette er en helt selvforsynt prosess, kan den skje hvor som helst - fjerne avhengigheten av geografi og klima, samtidig som det muliggjør større inneslutning og kvalitetskontroll. Den integrerte gjærsyntesen frigjør også land for andre typer jordbruk. Å dyrke sukkerrør for å mate gjæren tar langt mindre landareal enn det som kreves for valmueoppdrett.
Men kanskje den største fordelen med denne teknologien kommer av dens fleksibilitet til å utforske nye medisinske forbindelser som er mer effektive og har færre bivirkninger.
"Folk jobber med alle typer veldig interessante alternativer til konvensjonelle opiater, " sier Kenneth Oye, førsteamanuensis i statsvitenskap og ingeniørsystemer ved Massachusetts Institute of Technology. "Den store fordelen ved å gå fra tradisjonelle produksjonsteknikker til disse veiene for syntese i gjær, er at banene er mye lettere modifisert, noe som muliggjør enklere syntese av nye forbindelser."
For å gjøre det lettere å produsere opiater er det likevel viktige hensyn til sikkerhet og misbruk.
"Jeg tror ikke at belastningen som er utviklet av Christina Smolkes laboratorium utgjør en stor trussel mot folkehelse og sikkerhet som den er, " sier Oye. Faktisk testet Smolke nylig levedyktigheten av deres stamme under hjemmebryggforhold og fant ut at den ikke produserte opiater. “Men hvis noen skulle utvikle en gjærstamme med en vei som gikk fra glukose til heroin med høy effektivitet, har du et problem. En slik belastning kan ha potensial for hjemmebryggende opiater. ”
Oye påpeker også at hvis en slik stamme gjær ble utviklet, ville kontrollen over distribusjonen være ekstremt vanskelig. "Dette er noe som kan reproduseres ganske enkelt og vil være vanskelig å inneholde eller huske, " sier han. Han argumenterer for at tidlig dialog er viktig for å sikre sikre tekniske og politiske forholdsregler, for eksempel at gjærstammer skal være avhengige av næringsstoffer som er vanskelige å få, sette inn markører som kan hjelpe med påvisning og øke labsikkerheten. "I mange tilfeller er alternativene for å dempe potensiell risiko begrenset når arbeidet er fullført, " sier Oye.
Smolke er enig og legger til: “Jeg tror det må være en åpen bevisst prosess for å diskutere de virkelige bekymringene og hvordan man kan utvikle strategier for å dempe disse risikoene. Det er ikke bare avhengig av teknologien, men også beslutningstakere, rettshåndhevelse og det medisinske samfunnet. Og hvis denne forskningen katalyserer en diskusjon rundt det, tror jeg det er veldig viktig. ”
