Chemia fermentowana na drożdżach: Teraz możemy uwarzyć wszystko

Sarah Amandolare

Sept. 30, 2022 -- Niewiarygodnie stary sposób wytwarzania leków jest teraz niewiarygodnie nowym sposobem wytwarzania leków. Naukowcy genetycznie przerobili proces fermentacji drożdży, aby zamiast piwa produkować związki do chemioterapii. 

Winblastyna jest najbardziej złożonym związkiem wyprodukowanym do tej pory przy użyciu zmodyfikowanych drożdży, mówią naukowcy. Jej naturalnie występujące składniki są zwykle zbierane z zagrożonej rośliny na Madagaskarze, a chemioterapeutyk znajduje się na liście leków podstawowych Światowej Organizacji Zdrowia. Syntetyczna produkcja winblastyny mogłaby wyeliminować problemy z dostawami, obniżyć koszty i ratować życie. 

Doprowadzenie tego do końca zajęło 7 lat. 

"To tak jak z orkiestrą, która ma grać zgodnie z rytmem, ponieważ wszystkie te kroki muszą ze sobą współgrać, aby uzyskać produkt końcowy" - mówi współautor artykułu, dr Jay Keasling. "Jeśli karmisz drożdże cukrem, produkują one piwo i wino. W tym przypadku zastąpiliśmy ścieżkę etanolu ścieżkami do produkcji tych naturalnych produktów."

Genetycznie zmodyfikowane drożdże (wraz z E coli) są kluczowym mikroorganizmem wykorzystywanym w produkcji biofarmaceutycznej. Drożdże zostały przeprojektowane, aby produkować inne naturalnie występujące związki, takie jak kannabinoidy i lek przeciwmalaryczny artemizyninę. Proces polega na usunięciu sekwencji reakcji biochemicznych, czyli szlaku metabolicznego, z komórki roślinnej i odtworzeniu go wewnątrz komórki drożdży. 

Święty Graal wśród związków

Winblastyna jest częścią rodziny ponad 3000 produkowanych przez rośliny cząsteczek zwanych monoterpenowymi alkaloidami indolowymi (MIA), z których kilka zostało zatwierdzonych przez FDA jako leki. Każdy MIA pochodzi z innej rośliny, z których niektóre są rzadkie lub zagrożone wyginięciem z powodu nadmiernych zbiorów, jak twierdzi Keasling. 

"Inżynieria drożdży do produkcji tych cząsteczek umożliwiłaby ich produkcję w prostej platformie, fermentacji, zamiast konieczności uprawy poszczególnych roślin lub zbierania ich z natury" - mówi Keasling. "Zasadniczo dokooptowaliśmy tę odwieczną metodę produkcji piwa i wina do produkcji tych innych ważnych produktów".

Międzynarodowy zespół badaczy, kierowany przez Technical University of Denmark, chciał udowodnić, że może syntetycznie wytwarzać wszystkie rodzaje MIA, więc zaczęli od najbardziej złożonego, jaki znali: winblastyny. 

Winblastyna ma coś około 30 000 genów. Naukowcy musieli najpierw zidentyfikować 31-stopniową sekwencję. Według badaczy jest to najdłuższa ścieżka biosyntezy, jaką kiedykolwiek usunięto z rośliny i wprowadzono do mikroorganizmu.

Do tej pory winblastyna mogła być produkowana jedynie przy użyciu dwóch aktywnych składników, winidoliny i katarantyny, zbieranych z liści madagaskarskiej rośliny barwinka. Do wyprodukowania jednego grama winblastyny potrzeba ponad 4000 funtów suszonych liści. Opóźnienia w dostawach spowodowały międzynarodowy niedobór leku od lata 2019 do 2021 roku. 

Chociaż naukowcom nie udało się wyprodukować winblastyny bezpośrednio w drożdżach, udało im się genetycznie zmodyfikować drożdże tak, aby produkowały winindolinę i katarantynę. Związki te zostały następnie oczyszczone i połączone chemicznie w celu utworzenia winblastyny. 

Rekonstrukcja szlaku metabolicznego winblastyny wymagała 56 zmian genetycznych, jak twierdzą badacze. Reakcje biochemiczne zachodzące na każdym etapie szlaku wymagają enzymów - badacze musieli więc zadbać o to, by enzymy były produkowane w odpowiedniej ilości. 

"Nie można mieć jednego kroku działającego znacznie lepiej niż wszystkie inne kroki, lub jednego kroku, który nie działa bardzo dobrze w ogóle", powiedział Keasling. Enzymy zależą również od innych czynników, takich jak witaminy i minerały, które również musiały zostać wprowadzone do sekwencji. 

Naukowcy wyprodukowali tylko bardzo małą ilość winblastyny, ale technika otwiera drzwi do produkcji wielu innych naturalnie występujących związków, w tym cząsteczki przeciw uzależnieniom, która jest droga w produkcji, ponieważ jest produkowana przez rośliny w małych ilościach. 

"Wybrana przez nas cząsteczka jest czymś w rodzaju świętego Graala. To duża cząsteczka, jest naprawdę trudna do wyprodukowania w inny sposób" - powiedział Keasling. "I tak, jeśli możemy zrobić tę cząsteczkę, oznacza to, że inne są zdecydowanie możliwe do wykonania".