Исследователи вставили 25 чужеродных генов в одноклеточный гриб, чтобы превратить его в эффективную фабрику по производству лекарства. Многие из введенных генов произошли от мака, но некоторые — от других растений и даже от крыс. Все эти гены были рецептами для ферментов: белковых машин, которые, работая вместе, могут создавать сложные вещества из простых исходных материалов.
Исследователи также изменили некоторые гены растений, крыс и дрожжей, а также среду, в которой размножаются дрожжи, чтобы все вместе лучше работало. В результате выработка носкапина увеличилась в 18000 раз по сравнению с тем, что можно было получить, просто вставив гены растений и крыс в дрожжи.«Это технология, которая изменит способ производства основных лекарств», — сказала Кристина Смолке, доктор философии, профессор биоинженерии.
По ее словам, для коммерческой жизнеспособности потребуется дополнительное стократное улучшение, но многое из этого может быть достигнуто путем замены простейших лабораторных колб крупномасштабными биореакторами.Документ с описанием исследования будет опубликован 2 апреля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Смолке — старший автор.
Янран Ли, доктор философии, бывший постдокторант, ныне доцент кафедры химической и экологической инженерии в Калифорнийском университете в Ирвине, и доктор философии Сиджин Ли, являются ведущими авторами.
Обещание как лекарство от ракаСпособность носкапина подавлять кашель была обнаружена в 1930 году. Препарат широко использовался с 1960-х годов в качестве лекарства от кашля в Азии, Европе и Южной Америке, а также в Канаде, Австралии и Южной Африке. Доклинические испытания показывают потенциал носкапина как противоракового препарата с меньшей токсичностью для здоровых клеток, чем доступные в настоящее время химиотерапевтические препараты.
Но единственный жизнеспособный источник носкапина — это опийный мак. Ежегодно из растения извлекается много тонн носкапина, для созревания которого требуется целый год.
Хотя сам по себе носкапин безвреден, незаконный потенциал мака требует дорогостоящих мер контроля и ограничительных правил. Легально выращивать растения можно только в сконцентрированном географическом районе. Половина всех маков, производимых для носкапина, производится в Австралии, а остальные в основном в Индии, Франции, Турции и Венгрии, что делает глобальное производство носкапина зависимым от местных экологических явлений и различных почвенных и питательных условий.
Кроме того, встречающийся в природе носкапин необходимо тщательно отделить от многочисленных молекулярных компаньонов, наркотических и других веществ, которые не встречаются в дрожжах.Дрожжи, созданные биоинженерной группой Смолке, могут выделять значительное количество носкапина за три или четыре дня. Исследователи достигли этого результата, сшив три отдельных участка пути биосинтеза носкапина в один штамм дрожжей.По словам Смолке, поначалу выработка носкапина была скудной. «Традиционно мы получали наши лекарства из мира природы, в основном из растений.
Но конвейеры молекулярной сборки растений эволюционировали, чтобы оптимизировать выживание растений, а не выпускать ведра с одним веществом, которое мы, люди, хотим заполучить. ," она сказала. «Кроме того, мы помещаем их в наш штамм дрожжей, который находится на чужбине. У дрожжевых клеток и маковых клеток много общего, но в некоторых отношениях они такие же разные, как Земля и Марс».Каждый фермент катализирует свой ограниченный набор химических реакций.
Таким образом, для синтеза сложных химических веществ требуется целая конвейерная линия, состоящая из различных ферментов, работающих во взаимодействии друг с другом, в идеале с каждым ферментом в производственной цепочке, генерирующим ровно столько данного промежуточного продукта, чтобы занять следующий. Как и в случае с заводской конвейерной лентой, слишком низкая или слишком большая активность в любой момент может привести к заклиниванию линии. Ферменты также нуждаются в источниках энергии, а некоторые из них требуют помощи дополнительных молекул, которых может быть много в организме, из которого они происходят, но не обязательно в дрожжевых клетках.
Солдаты на Марсе«Это как если бы мы захватили пару десятков солдат из разных подразделений, разместили их на Марсе и сказали каждому из них:« Теперь я не только отправляю вас на Марс, но и хочу, чтобы вы проделали здесь серьезную работу » , и я хочу, чтобы вы работали с этими другими солдатами, с которыми вы раньше не работали, — многие из них совершенно незнакомы », — сказал Смолке. «Удачи с этим. Мы модифицировали их, чтобы поддерживать их в форме на этой планете и лучше ладить друг с другом, и мы подтолкнули дрожжи, чтобы помочь этим ферментам захватить ресурсы, необходимые им для выполнения работы».Это повлекло за собой, среди прочего, сплайсинг генов крыс, которые управляют выработкой дофамина, ключевого промежуточного соединения в синтезе носкапина.
Производство дофамина в растениях плохо изучено, но из-за важности дофамина как важнейшего химического вещества в нервной системе животных ферменты, ответственные за его производство у млекопитающих, интенсивно изучаются.Ученые использовали CRISPR, инструмент для редактирования генов, чтобы изменить встроенные гены, чтобы ферменты, которые они закодировали, работали наиболее эффективно в условиях экзотической кислотности, осмотического характера и химического состава их нового дома.
Они также увеличили производство дрожжами химического вещества, уровень которого в противном случае был бы слишком низким, чтобы поддерживать устойчивое производство носкапина.«Мы больше не ограничены тем, что может сделать природа», — сказал Смолке. «Мы приближаемся к эпохе, когда мы можем заимствовать природные процессы производства лекарств и, используя генную инженерию, строить миниатюрные живые фабрики, которые производят то, что мы хотим».Управление технологического лицензирования Стэнфорда имеет ожидающие патенты на интеллектуальную собственность, связанные с результатами этого исследования.
Antheia Inc., биотехнологическая компания, базирующаяся в Менло-Парке, Калифорния, которую Смолке соучредителем в 2015 году, получила лицензию на технологию в Стэнфорде и теперь работает над коммерциализацией производства носкапина в дрожжах. Смолке — главный исполнительный директор Antheia.
