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.

Пекарские дрожжи, Saccharomyces cerevisiae, можно использовать не только в хлебопечении. (Фото Dennis Kunkel Microscopy, Inc. / Visuals Unlimited / Corbis.)

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.
Автор: Кирилл Стасевич

Источник: nkj.ru