Ферментированная дрожжами химия: Теперь мы можем варить все, что угодно

Сара Амандоларе

30 сентября 2022 г. - Невероятно старый способ изготовления лекарств теперь стал невероятно новым способом изготовления лекарств. Ученые генетически перестроили процесс ферментации дрожжей, чтобы вместо пива производить химиотерапевтические соединения. 

По словам исследователей, винбластин - это самое сложное соединение, полученное с помощью инженерных дрожжей на сегодняшний день. Его природные компоненты обычно собирают из исчезающего растения на Мадагаскаре, а химиотерапевтическое средство входит в список основных лекарственных препаратов Всемирной организации здравоохранения. Синтетическое производство винбластина могло бы устранить проблемы с поставками, снизить стоимость и спасти жизни людей. 

На то, чтобы сделать это правильно, ушло 7 лет. 

"Это как заставить оркестр играть в такт, потому что все эти шаги должны работать вместе, чтобы получить конечный продукт", - говорит соавтор статьи Джей Кислинг, доктор философии. "Если вы кормите дрожжи сахаром, они производят пиво и вино. В данном случае мы заменили путь получения этанола путями производства этих натуральных продуктов".

Генно-инженерные дрожжи (наряду с кишечной палочкой) являются ключевым микроорганизмом, используемым в биофармацевтическом производстве. Дрожжи были переделаны для производства других природных соединений, таких как каннабиноиды и противомалярийный препарат артемизинин. Процесс включает в себя удаление последовательности биохимических реакций, или метаболического пути, из растительной клетки и его реконструкцию внутри дрожжевой клетки. 

Святой Грааль соединений

Винбластин входит в семейство из более чем 3 000 молекул растительного происхождения, называемых монотерпеновыми индольными алкалоидами (МИА), некоторые из которых были одобрены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США в качестве терапевтических средств. Каждый MIA происходит от отдельного растения, некоторые из которых являются редкими или находятся под угрозой исчезновения из-за чрезмерного сбора урожая, по словам Кислинга. 

"Инженерия дрожжей для производства этих молекул позволила бы производить их на простой платформе, путем ферментации, вместо того, чтобы выращивать отдельные растения или собирать их в дикой природе", - говорит Кислинг. "По сути, мы использовали этот вековой метод производства пива и вина для производства других важных продуктов".

Международная группа исследователей, возглавляемая Техническим университетом Дании, хотела доказать, что они могут синтетически производить все виды MIA, поэтому они начали с самого сложного из них - винбластина. 

Винбластин имеет около 30 000 генов. Сначала исследователи должны были определить последовательность из 31 шага. По словам исследователей, это самый длинный путь биосинтеза, когда-либо извлеченный из растения и внедренный в микроб.

До сих пор винбластин можно было получить только с помощью двух активных ингредиентов, виндолина и катарантина, собранных из листьев мадагаскарского барвинка. Для производства одного грамма винбластина может потребоваться более 4000 фунтов высушенных листьев. Задержки с поставками привели к международному дефициту препарата с лета 2019 года до 2021 года. 

Хотя исследователи не смогли произвести винбластин непосредственно в дрожжах, им удалось с помощью генной инженерии создать дрожжи для производства виндолина и катарантина. Затем эти соединения были очищены и соединены химическим путем с образованием винбластина. 

По словам исследователей, реконструкция метаболического пути винбластина потребовала 56 генетических правок. Биохимические реакции, происходящие на каждом этапе пути, требуют ферментов, поэтому исследователи должны были обеспечить производство ферментов в нужном количестве. 

"Нельзя, чтобы один этап работал значительно лучше, чем все остальные, или чтобы один этап работал не очень хорошо", - говорит Кислинг. Ферменты также зависят от других факторов, таких как витамины и минералы, которые также должны быть вставлены в последовательность. 

Исследователи произвели лишь очень небольшое количество винбластина, но этот метод открывает возможности для производства множества других соединений природного происхождения, включая молекулу против наркомании, которую дорого производить, поскольку она производится растениями в небольших количествах. 

"Молекула, которую мы выбрали, является своего рода святым Граалем. Это большая молекула, ее очень сложно получить каким-либо другим способом", - говорит Кислинг. "И если мы сможем получить эту молекулу, это будет означать, что и другие молекулы можно получить".