Фото дня: живые фабрики лекарств
Человек добился потрясающих успехов в химическом синтезе, но до виртуозности природы в этом вопросе ему еще далеко. Не удивительно, что ученые пытаются поставить высокоэффективные природные химические лаборатории – клетки бактерий, грибов, растений – на службу химии и фармации. Сегодня никого не удивишь белками (например, инсулином или интерфероном), которые получают в промышленных масштабах из кишечной палочки или пекарских дрожжей, встроив предварительно в геном микроба нужный ген. Сложнее обстоит дело с небелковыми молекулами, синтез которых в клетке требует целой цепи ферментативных реакций, а значит в микроб-продуцент необходимо встроить нескольких генов и наладить систему регуляции их активности.
Удобным объектом для превращения в живую фабрику являются пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae). Люди используют их для своих нужд – приготовления хлеба, алкогольных напитков и других продуктов брожения – уже более 4 тыс лет. Не удивительно, что эти «друзья человека» отлично изучены. Пекарские дрожжи стали первым эукариотическим организмом, у которого был расшифрован геном (1996 г) и подробно изучены функции генов.
Именно пекарские дрожжи были выбраны в качестве потенциальных «фабрик», когда исследователи из Стэнфордского университета (США) решили наладить производство такого ценного обезболивающего лекарственного средства как морфин*. Традиционное производство морфина сопряжено с целым рядом трудностей. Его получают из молочка опийного мака, который произрастает только в определенных климатических условиях, в основном в странах Азии. Кроме того, в связи с тем, что опиум и морфий – наркотические вещества, все связанное с ними требует жесточайшего контроля. Исследователи рассчитывают, что биотехнологическое производство морфина значительно облегчит контроль над ним.
Исследовав все реакции, необходимые для синтеза в клетке сложных опиоидов (морфин относится к этому классу соединений), ученые приступили к переносу генов опиумного мака Papaver somniferum в геном пекарских дрожжей. В 2008 г им удалось получить в трансформированной дрожжевой клетке из простых сахаров предшественник опиоидов салутаридин. Спустя два года в геноме опиумного мака были обнаружены два недостающих фрагмента морфинового паззла, которые позволили получать целый ряд опиоидов, «скармливая» дрожжам тебаин – вещество, выделенное из опиумного мака. Осталось заполнить одну брешь: заставить дрожжи превращать салутаридин в тебаин, и тогда в распоряжении биотехнологов будет живая фабрика, превращающая простые сахара в ценнейший лекарственный препарат. Предполагается, что 1000-литровый реактор с дрожжами сможет заменить гектар поля, засеянного опиумными маками.
Следует напомнить о таком коммерчески успешном опыте применения живых фабрик как производство в дрожжах артемизиновой кислоты – предшественника лекарственного средства артемизинина, используемого для лечения малярии, вызванной Plasmodium falciparum. Традиционно артемизиновую кислоту получали из китайской полыни (Artemisia annual). Теперь тонны лекарства ежегодно производятся без уничтожения растений.
*Thodey K, Galanie S, Smolke CD. A microbial biomanufacturing platform for natural and semisynthetic opioids // Nature Chemical Biology, 2014, 10: 837–844 doi:10.1038/nchembio.1613
На фото: пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae); сканирующая электронная микроскопия.
