Siden oldtiden har vinproducenter, bryggerier og bagere udnyttet gærens gæringsegenskaber til surdeigsbrød og produceret alkoholiske frigivelser. Men nu har et team af forskere ved Stanford University genetisk modificeret denne renæssance-mikrobe til et unikt formål: at pumpe opiat-smertestillende midler ud.
Relateret indhold
- Aspirins fire-tusindårs historie
- 11 grunde til at elske bakterier, svampe og sporer
- US Heroin overdoseringsfrekvens næsten firedobler
Selvom du næppe sandsynligvis snart finder nogen opiater på dit lokale mikrobryggeri, viser resultaterne et stort løfte om at fremskynde fremstillingsprocessen for disse lægemidler samt åbne døre til opdagelsen af nye lægemidler.
”Mange af vores medicin skiftes til produktion af bioteknologi, ” siger studieforfatter Christina Smolke, lektor i bioingeniørvirksomhed i Stanford. "Planter laver virkelig sofistikeret biokemi for at fremstille disse forbindelser, men udfordringen er, at de ikke nødvendigvis gør det effektivt."
Historisk set er alle opiat-smertestillende medicin afledt af opiumsvalmuen, som lovligt dyrkes på steder som Australien, Europa og Indien og sendt til produktionscentre. Planteforbindelserne isoleres, raffineres og omdannes til receptpligtige lægemidler i en proces, der kan tage et år eller mere fra gård til apotek.
Som ethvert andet afgrødeafhængigt produkt kan opiater udsættes for skadedyrsangreb, tørke, klimaændringer og andre variabler, der er i stand til at begrænse fremstillingen af velkendte lægemidler som morfin, codein, oxycodon og hydrocodon (mere almindeligt kendt under mærkenavnet Vicodin ). I betragtning af disse begrænsninger ønskede forskerne at komprimere hele landbruget og fremstillingsprocessen til en enkelt bioreaktor, der kunne producere smertestillende medicin inden for få dage.
”Vi ønskede at vise, at man kunne tage en proces, der traditionelt er fordelt på både biologisk og kemisk syntese og integrere den helt i en syntesevej i gær, ” siger Smolke.
Opmuntrende præcedens eksisterede til at skabe plantebaserede medicin ved hjælp af syntetisk biologi. I 2006 blev det anti-malaria medikament artemisinin, afledt af det søde malurttræ, med succes fremstillet af genetisk ændrede gærceller. Denne biosynteseproces ekspanderede hurtigt - gærfremstillet artemisinin tegner sig i øjeblikket for cirka en tredjedel af verdens forsyning. Og tidligere i år konstruerede et team hos UC Berkeley brygger gær til at fremstille en af byggestenene til morfin.
For at få deres gær ned ad den biokemiske vej for opiater måtte Stanford-forskerne først nedbryde og genetisk genoprette hvert enzymaktiveret trin i syntesekæden, der omdanner tyrosin, en aminosyre, gæren fremstiller fra sukker, til thebin, en forløber for mange almindelige opioider smertestillende. Videnskabsmændene kunne derefter indsætte de gener, der er nødvendige for at omdanne thebin til hydrocodon. Men efter alt dette biokemiske byggearbejde løb teamet ind i en teknisk hindring - de var ikke i stand til at skabe en tilstrækkelig mængde opioidprodukt. De opdagede, at gæren forkert læste instruktionerne for at gøre proteinet nødvendigt for at nå et vigtigt trin i produktionslinjen.
”Vi måtte derefter omskrive instruktionerne for, hvordan gær skulle fremstille proteinet, så det mere modellerede, hvordan planten gjorde det, ” siger Smolke. Ved afslutningen af processen havde forskerne rekonstrueret gærcellerne med 23 nye gener fra en række organismer, herunder flere plantearter, rotter og bakterier. Selv nu er den overordnede proces imidlertid for ineffektiv, hvilket kræver mere end 4.400 gallon gær til at producere en enkelt dosis hydrocodon.
”Efter vores estimater er vi nødt til at forbedre effektiviteten af processen med 100.000 gange for at være klar til kommerciel produktion, ” siger Smolke, hvis team rapporterer resultaterne denne uge i Science . ”Men vi mener, at dette er muligt og er allerede begyndt på dette arbejde.”
Forfatterne påpeger flere fordele, der ville være resultatet af at optimere deres proces. For det første ville det reducere produktionsomkostningerne for opiater betydeligt og skabe muligheder for at nå de anslåede 5, 5 milliarder mennesker, der har begrænset adgang til smertemedicin. Og fordi dette er en helt selvstændig proces, kan den finde sted hvor som helst - fjerne afhængigheden af geografi og klima og samtidig muliggøre større indeslutning og kvalitetskontrol. Den integrerede gærsyntese frigør også jord til andre typer landbrug - voksende sukkerrør til fodring af gæren optager langt mindre landareal end det, der kræves til valmueopdræt.
Men måske kommer den største fordel ved denne teknologi fra dens fleksibilitet til at udforske nye medicinske forbindelser, der er mere effektive og har færre bivirkninger.
”Folk arbejder på alle typer meget interessante alternativer til konventionelle opiater, ” siger Kenneth Oye, lektor i statsvidenskab og ingeniørsystemer ved Massachusetts Institute of Technology. "Den store fordel ved at gå fra traditionelle produktionsteknikker til disse veje til syntese i gær er, at stierne er langt lettere at ændre, hvilket muliggør lettere syntese af nye forbindelser."
At gøre det lettere at fremstille opiater er stadig vigtige hensyn til sikkerhed og misbrug.
”Jeg tror ikke, at den belastning, der er udviklet af Christina Smolkes laboratorium, udgør en stor trussel mod folkesundheden og sikkerheden som den er, ” siger Oye. Faktisk testede Smolke for nylig levedygtigheden af deres stamme under hjemmebryggebetingelser og fandt, at den ikke producerede opiater. ”Men hvis nogen skulle udvikle en stamme gær med en vej, der gik fra glukose til heroin med høj effektivitet, så har du et problem. En sådan belastning kan have potentialet for hjemmebryggende opiater. ”
Oye påpeger også, at hvis en sådan stamme gær blev udviklet, ville kontrol med distribution være ekstremt vanskelig. ”Dette er noget, der kunne gengives relativt let og ville være vanskeligt at indeholde eller huske, ” siger han. Han argumenterer for, at en hurtig dialog er vigtig for at sikre sikre tekniske og politiske forholdsregler, såsom at gærstammer skal være afhængige af næringsstoffer, der er svære at få, indsættelse af markører, der kan hjælpe med påvisning og øge labsikkerheden. ”I mange tilfælde er dine muligheder for at afbøde potentiel risiko begrænset, når arbejdet er afsluttet, ” siger Oye.
Smolke er enig i at tilføje: ”Jeg mener, at der skal være en åben overvejende proces for at diskutere de reelle bekymringer og hvordan man udvikler strategier for at afbøde disse risici. Det er ikke kun afhængigt af teknologien, men også af beslutningstagere, retshåndhævelse og det medicinske samfund. Og hvis denne forskning katalyserer en diskussion omkring det, synes jeg det er virkelig vigtigt. ”
