Muinaisista ajoista lähtien viininvalmistajat, panimot ja leipomot ovat hyödyntäneet hiivan käymisominaisuuksia hapanleipää ja tuottavat alkoholipitoisuuksia. Mutta nyt Stanfordin yliopiston tutkijaryhmä on muunnellut geneettisesti tätä renessanssimikrobia ainutlaatuiseen tarkoitukseen: pumppaamalla opiaattilääkkeitä.
Asiaan liittyvä sisältö
- Aspirinin neljän tuhannen vuoden historia
- 11 syytä rakastaa bakteereja, sieniä ja itiöitä
- Yhdysvaltain heroiinin yliannostuksen määrä lähes nelinkertaistuu
Vaikka et todennäköisesti löydä opiaatteja paikallisesta mikrovalmistuksestasi milloin tahansa pian, tulokset osoittavat suurta lupausta nopeuttaa näiden lääkkeiden valmistusprosessia ja avata ovia uusien lääkkeiden löytämiselle.
"Monet lääkkeistämme ovat siirtymässä tuotantoon bioteknologian avulla", sanoo tutkimuksen kirjoittaja Christina Smolke, Stanfordin biotekniikan apulaisprofessori. "Kasvit tekevät todella hienostunutta biokemiaa näiden yhdisteiden valmistamiseksi, mutta haaste on, että ne eivät välttämättä tee sitä tehokkaasti."
Historiallisesti kaikki opiaatti kipulääkkeet on johdettu oopiumunikonista, jota viljellään laillisesti esimerkiksi Australiassa, Euroopassa ja Intiassa ja toimitetaan tuotantokeskuksiin. Sitten kasviyhdisteet eristetään, puhdistetaan ja muutetaan reseptilääkeiksi prosessissa, joka voi viedä vuoden tai enemmän tilalta apteekkiin.
Kuten mikä tahansa muu sadosta riippuvainen tuote, opiaatit voivat altistua tuholaisille, kuivuudelle, ilmastomuutoksille ja muille muuttujille, jotka voivat rajoittaa tuttujen lääkkeiden, kuten morfiinin, kodeiinin, oksikodonin ja hydrokodonin, valmistamista (tunnetaan yleisemmin nimellä Vicodin ). Näiden rajoitusten vuoksi tutkijat halusivat puristaa koko viljely- ja valmistusprosessin yhdeksi bioreaktoriksi, joka voisi tuottaa kipulääkkeitä muutamassa päivässä.
"Halusimme näyttää, että voisit suorittaa prosessin, joka jakautuu perinteisesti sekä biologiseen että kemialliseen synteesiin, ja integroida sen kokonaan hiivan synteesireittiin", Smolke sanoo.
Kasvipohjaisten lääkkeiden luomiseen synteettistä biologiaa käyttämällä oli olemassa rohkaisevia ennakkotapauksia. Vuonna 2006 malariavastainen lääke artemisiniini, joka on johdettu makeasta koiruohopuusta, tuotettiin menestyksekkäästi muuntogeenisillä hiivasoluilla. Tämä biosynteesiprosessi laajeni nopeasti - hiivavalmistetun artemisiniinin osuus on tällä hetkellä noin kolmasosa maailman tarjonnasta. Ja aiemmin tänä vuonna UC Berkeleyn joukkue kehitti panimohiivan valmistamaan yhden morfiinin rakennuspalikoista.
Houkutellakseen hiivansa alas opiaattien biokemialliselle tielle, Stanfordin tutkijoiden piti ensin hajottaa ja luoda geneettisesti uudelleen jokainen entsyymikäyttöinen vaihe synteesiketjussa, joka muuttaa tyrosiinin, aminohapon, jonka hiiva tekee sokerista, tebainiksi, monien yleisten opioidilääkkeiden edeltäjä. Tutkijat voisivat sitten lisätä geenit, jotka ovat tarpeen tebaiinin muuttamiseksi hydrokodoniksi. Mutta kaiken tämän biokemiallisen rakennustyön jälkeen joukkue joutui tekniseen esteeseen - he eivät pystyneet luomaan riittävää määrää opioidituotetta. He huomasivat, että hiiva tulkitsi väärin ohjeita proteiinin valmistamiseksi, joka tarvitaan tuotantolinjan avainvaiheen saavuttamiseen.
"Meidän piti sitten kirjoittaa ohjeet siitä, kuinka hiivan tulisi valmistaa proteiini, jotta se mallinnettaisiin tarkemmin, kuinka kasvi teki sitä", Smolke sanoo. Prosessin loppuun mennessä tutkijat olivat rekonstruoineet hiivasolut 23 uudella geenillä monista organismeista, mukaan lukien useat kasvilajeista, rotista ja bakteereista. Jo nytkin, prosessi on kuitenkin liian tehoton, ja se vaatii yli 4 400 gallonaa hiivaa yhden annoksen hydrokodonin tuottamiseksi.
"Arvioidemme mukaan meidän olisi parannettava prosessin tehokkuutta 100 000 kertaa, jotta se olisi valmis kaupalliseen tuotantoon", sanoo Smolke, jonka tiimi raportoi tämän viikon tuloksista Science- lehdessä. "Mutta uskomme, että tämä on mahdollista, ja olemme jo aloittaneet työn."
Kirjoittajat huomauttavat useista eduista, joita prosessin optimoinnista saataisiin. Ensinnäkin, se vähentäisi merkittävästi opiaattien valmistuskustannuksia ja loisi mahdollisuudet tavoittaa arviolta 5, 5 miljardia ihmistä, joilla on rajoitettu pääsy kivulääkkeisiin. Ja koska tämä on täysin itsenäinen prosessi, se voi tapahtua missä tahansa - poistamalla riippuvuus maantieteestä ja ilmastosta mahdollistaen entistä paremman eristämisen ja laadunvalvonnan. Integroitu hiivasynteesi vapauttaa maata muunlaisille viljelylajeille - sokeriruoan kasvattaminen hiivan ruokintaan vie paljon vähemmän maata kuin unikonviljelyyn vaaditaan.
Mutta ehkä tämän tekniikan suurin hyöty on sen joustavuus tutkia uusia lääkeyhdisteitä, jotka ovat tehokkaampia ja joilla on vähemmän sivuvaikutuksia.
"Ihmiset työskentelevät kaikenlaisissa erittäin mielenkiintoisissa vaihtoehdoissa tavanomaisille opiaateille", sanoo Kenneth Oye, Massachusettsin teknillisen instituutin valtiotieteen ja tekniikan järjestelmien apulaisprofessori. "Suuri etu siirryttäessä perinteisistä tuotantotekniikoista näille hiivan synteesireiteille on, että reittejä muutetaan paljon helpommin, mikä mahdollistaa uusien yhdisteiden synteesin helpommin."
Opiaattien tuotannon helpottamiseksi liittyy silti tärkeitä turvallisuus- ja väärinkäytösnäkökohtia.
"En usko, että Christina Smolken laboratorion kehittämä kanta on suuri uhka kansanterveydelle ja turvallisuudelle", Oye sanoo. Itse asiassa Smolke testasi äskettäin heidän kannansa elinkelpoisuutta kotitekoisissa olosuhteissa ja havaitsi, että se ei tuottanut opiaatteja. ”Mutta jos joku kehittää hiivakannan, jolla on korkea tehokkuus kuljettaneet glukoosista heroiiniin, sinulla on ongelma. Tällaisella kannalla voi olla potentiaalia kotimoan opiaateille. "
Oye huomauttaa myös, että jos sellainen hiivakanta kehitettäisiin, levityksen hallitseminen olisi erittäin vaikeaa. "Tämä on jotain, joka voidaan toistaa melko helposti ja jota olisi vaikea pitää sisällään tai muistaa", hän sanoo. Hän väittää, että varhainen vuoropuhelu on välttämätöntä turvallisten teknisten ja poliittisten varotoimenpiteiden varmistamiseksi, kuten hiivakantojen tekniset riippuvuudet vaikeasti saatavissa olevista ravintoaineista, merkkien lisääminen, jotka voivat auttaa havaitsemiseen, ja laboratorioiden turvallisuuden lisääminen. "Monissa tapauksissa vaihtoehtosi potentiaalisen riskin vähentämiseksi ovat rajalliset, kun työ on valmis", Oye sanoo.
Smolke on samaa mieltä ja lisää: ”Uskon, että on oltava avoin keskusteluprosessi, jossa keskustellaan todellisista huolenaiheista ja siitä, kuinka kehittää strategioita näiden riskien vähentämiseksi. Se ei ole riippuvainen vain tekniikasta, vaan myös päätöksentekijöistä, lainvalvonnasta ja lääkäreistä. Ja jos tämä tutkimus katalysoi keskustelua siitä, niin se on mielestäni todella tärkeää. ”
