Как получить лекарство из дрожжей
Ещё два-три года усилий – и мы сможем получать лекарства на основе опиумных алкалоидов без использования растительного сырья. На помощь придут модифицированные дрожжи, которые будут синтезировать морфин из обычного сахара.
Бактерии и дрожжи давно стали удобным объектом для генетических и биоинженерных экспериментов – исследователи вторгаются в их геном, меняют метаболические пути, заставляют бактериальные и дрожжевые клетки активней синтезировать некие вещества, а то и вовсе принуждают их делать такие молекулы, которые им самим не нужны, зато могут пригодиться в химической промышленности.
Обычно в таких случаях речь идёт об искусственном топливе – здесь можно вспомнить работу сотрудников Мичиганского университета, сообщившие в позапрошлом году, что им удалось сконструировать микробиологический реактор, в котором грибы и модифицированные кишечные палочки перерабатывали древесину в изобутанол. Более того, в том же году в журнале PNAS и ACS Synthetic Biology были опубликованы статьи, где описывались бактерии, способные к синтезу углеводородов дизельного топлива и ракетного топлива.
Но топливные углеводороды – не единственное, на что можно перепрограммировать микробов. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли вместе с коллегами из Университета Конкордия сообщают в журнале Nature Chemical Biology, что им удалось создать дрожжи, которые в принципе могут делать морфин и прочие опиатные алкалоиды. Тем, кто сразу подумал про наркотики, напомним, что и морфин, и героин, и прочие опиаты относятся к группе бензилизохинолиновых алкалоидов, и вместе с химическими «родственниками» они образуют крупное семейство почти в 2 500 тысячи молекул – и, что самое главное, к ним же относится такое вещество, как тебаин. Замечателен он тем, что служит веществом-предшественником для известных обезболивающих, оксикодона и гидрокодона, а также ещё для ряда антибиотиков, спазмолитических и противораковых лекарств.
Бензилизохинолиновые алкалоиды обладают сложной молекулярной структурой, и синтезировать их искусственно, «с нуля», довольно непросто и дорого. Так что всё сводится в итоге к натуральному сырью, полученному из растений, то бишь из опийного мака. С другой стороны, у препаратов, сделанных на основе растительных опиумных алкалоидов, часто бывают неприятные побочные эффекты (возникновение зависимости – один из них). Поэтому медики давно мечтают о том, что генная инженерия сможет подправить природный биосинтез опиатов, сделав их более безопасными. Современная генная инженерия давно работает с растениями, но оказалось, что в случае опиумного мака заставить его синтезировать то, что нужно биоинженерам, опять же не так-то просто.
В результате исследователи решили попытать счастья с дрожжами. Однако для того, чтобы они начали синтезировать морфин, нужно снабдить их генами, необходимыми для выполнения 15 химических превращений. В этой производственной цепочке есть важный пункт, который делит её на две части – до молекулы под названием S-ретикулин и после неё. Сам S-ретикулин появляется в результате превращений аминокислоты тирозина, после чего нам нужно выбрать, что именно должно из него получиться: один химический путь ведёт к морфину и кодеину, другой – к противораковым веществам и антибиотикам.
В прошлом году биологам из Стэнфорда удалось снабдить дрожжей генами, необходимыми для последних стадий синтеза морфина из тебаина. В прошлом месяце Винсент Мартин (Vincent Martin) и его коллеги из Университета Конкордия сообщили, что их дрожжи научились выполнять всю вторую половину превращений, то есть превращать ретикулин в морфин. Но с первым этапом, с получением ретикулина из тирозина, всё оказалось намного сложнее. Камнем преткновения стала реакция превращения тирозина в молекулу под названием леводопа (L-Dopa) (которая, кстати, используется как противопаркинсоническое средство). Похожую реакцию можно запустить в бактериях, но бактериальный фермент при переносе его в дрожжи работал плохо, если вообще работал.
Решение пришло, когда попытались найти какой-то другой фермент, который функционировал бы похожим образом. Им оказалась тирозиновая гидроксилаза из сахарной свёклы, которая очень хорошо себя чувствовала в дрожжевой клетке. Более того, фермент удалось даже улучшить с помощью мутаций, после который количество синтезируемой леводопы в дрожжах утроилось. Работа ещё не вполне завершена: в первой части синтеза морфина есть ещё одна маленькая тонкость, связанная с превращением S-ретикулина в R-ретикулин – именно последний и служит сырьём для последующих реакций. Однако здесь никаких проблем не предвидится: сотрудникам Университета Калгари удалось найти растительный фермент, осуществляющий это превращение, и есть все основания полагать, что он легко «приживётся» в дрожжах. Авторы работы полагают, что полную химическую цепочку получения морфина удастся поместить в клетки грибов за 2-3 года экспериментов – и тогда у нас будут дрожжи, который позволят получать морфин из сахара (аминокислота тирозин, о которой мы говорили выше, синтезируется из глюкозы в ходе обычных биохимических реакций клетки). Похожие опыты ведутся и с бактериями, но в них удалось засунуть только первую половину превращений, до R-ретикулина включительно.
Разумеется, дело не столько в морфине, сколько в самой возможности дёшево получать самые разные лекарства на основе опиатных алкалоидов. Кроме того, имея дело с дрожжами, относительно просто вводить необходимые модификации в структуру молекул, оптимизируя её и избавляясь от побочных эффектов. Но, с другой стороны, проблему биобезопасности никто не отменял, и теперь самое время подумать, как сделать так, чтобы в будущем такими микроорганизмами не смогли воспользоваться для производства наркотиков. Скорее всего, клетки снабдят неким генетическим переключателем, который позволит включать цепочку морфинового синтеза лишь при определённых условиях, возможных только в специализированных лабораториях.
