https://frosthead.com

Un lievito geneticamente modificato trasforma lo zucchero in antidolorifici

Sin dai tempi antichi, produttori di vino, birrai e fornai hanno sfruttato le proprietà di fermentazione del lievito per lievitare il pane e produrre libagioni alcoliche. Ma ora, un team di scienziati dell'Università di Stanford ha geneticamente modificato questo microbo rinascimentale per uno scopo unico: pompare antidolorifici agli oppiacei.

Contenuto relativo

  • La storia dei quattro mila anni di Aspirin
  • 11 motivi per amare i batteri, i funghi e le spore
  • Il tasso di overdose di eroina negli Stati Uniti è quasi quadruplo

Mentre è improbabile che tu possa trovare presto oppiacei nel tuo microbirrificio locale, i risultati mostrano una grande promessa nell'accelerare il processo di produzione di questi farmaci, oltre ad aprire le porte alla scoperta di nuovi medicinali.

"Molte delle nostre medicine vengono trasferite alla produzione dalla biotecnologia", afferma l'autore dello studio Christina Smolke, professore associato di bioingegneria a Stanford. "Le piante fanno biochimica davvero sofisticata per produrre questi composti, ma la sfida è che non necessariamente lo fanno in modo efficiente."

Storicamente, tutti gli antidolorifici a base di oppiacei sono derivati ​​dal papavero da oppio, che viene legalmente coltivato in luoghi come Australia, Europa e India e spedito ai centri di produzione. I composti vegetali vengono quindi isolati, raffinati e convertiti in farmaci da prescrizione in un processo che può richiedere un anno o più dalla fattoria alla farmacia.

Come qualsiasi altro prodotto dipendente dalle colture, gli oppiacei possono essere soggetti a infestazioni da parassiti, siccità, cambiamenti climatici e altre variabili in grado di limitare la produzione di farmaci familiari come morfina, codeina, ossicodone e idrocodone (più comunemente noti con il marchio Vicodin ). Date queste restrizioni, i ricercatori volevano comprimere l'intero processo agricolo e produttivo in un singolo bioreattore in grado di produrre antidolorifici in pochi giorni.

"Volevamo dimostrare che si potrebbe prendere un processo tradizionalmente distribuito su entrambe le sintesi biologiche e chimiche e integrarlo interamente all'interno di un percorso di sintesi nel lievito", afferma Smolke.

Esistevano precedenti incoraggianti per la creazione di medicinali a base vegetale utilizzando la biologia sintetica. Nel 2006, l'artemisinina della droga antimalarica, derivata dall'albero di assenzio dolce, è stata prodotta con successo da cellule di lievito geneticamente modificate. Questo processo di biosintesi si espanse rapidamente: l'artemisinina prodotta dai lieviti rappresenta attualmente circa un terzo dell'offerta mondiale. E all'inizio di quest'anno, un team di UC Berkeley ha progettato il lievito di birra per produrre uno dei mattoni della morfina.

Per convincere il loro lievito lungo il percorso biochimico degli oppiacei, i ricercatori di Stanford hanno prima dovuto abbattere e ricreare geneticamente ogni passaggio abilitato agli enzimi nella catena di sintesi che converte la tirosina, un amminoacido che il lievito produce dallo zucchero, alla thebaine, un precursore di molti antidolorifici oppioidi comuni. Gli scienziati potrebbero quindi inserire i geni necessari per convertire la tebaina in idrocodone. Ma dopo tutto questo lavoro di costruzione biochimica, il team ha incontrato un ostacolo tecnico: non sono stati in grado di creare una quantità sufficiente di prodotto oppioide. Hanno scoperto che il lievito stava leggendo male le indicazioni per rendere le proteine ​​necessarie per raggiungere una fase chiave della linea di produzione.

"Abbiamo quindi dovuto riscrivere le istruzioni su come il lievito dovrebbe produrre le proteine ​​in modo che modellasse più da vicino il modo in cui la pianta lo faceva", afferma Smolke. Alla fine del processo, i ricercatori avevano ricostruito le cellule di lievito con 23 nuovi geni da una varietà di organismi, tra cui diverse specie di piante, ratti e batteri. Anche ora, tuttavia, il processo complessivo è troppo inefficiente e richiede oltre 4.400 litri di lievito per produrre una singola dose di idrocodone.

"Secondo le nostre stime, avremmo bisogno di migliorare l'efficienza del processo di 100.000 volte per essere pronti per la produzione commerciale", afferma Smolke, il cui team riporta i risultati questa settimana su Science . "Ma crediamo che questo sia fattibile e abbiamo già iniziato quel lavoro."

Gli autori sottolineano numerosi vantaggi che potrebbero derivare dall'ottimizzazione del loro processo. In primo luogo, ridurrebbe significativamente i costi di produzione degli oppiacei, creando opportunità per raggiungere i 5, 5 miliardi di persone che hanno un accesso limitato ai farmaci antidolorifici. E poiché si tratta di un processo completamente autonomo, può svolgersi ovunque, rimuovendo la dipendenza dalla geografia e dal clima, consentendo al contempo un maggiore contenimento e controllo della qualità. La sintesi integrata del lievito libera anche terra per altri tipi di allevamento: coltivare la canna da zucchero per alimentare il lievito occupa molto meno terra di quella necessaria per l'allevamento del papavero.

Ma forse il più grande vantaggio di questa tecnologia deriva dalla sua flessibilità nell'esplorazione di nuovi composti medicinali più efficaci e con minori effetti collaterali.

"Le persone stanno lavorando su tutti i tipi di alternative molto interessanti agli oppiacei convenzionali", afferma Kenneth Oye, professore associato di scienze politiche e sistemi di ingegneria presso il Massachusetts Institute of Technology. "Il grande vantaggio di passare dalle tecniche di produzione tradizionali a questi percorsi per la sintesi nel lievito è che i percorsi sono molto più facilmente modificabili, consentendo una sintesi più semplice di nuovi composti".

Tuttavia, semplificare la produzione di oppiacei comporta importanti considerazioni di sicurezza e abuso.

"Non credo che la varietà sviluppata dal laboratorio di Christina Smolke rappresenti una grande minaccia per la salute e la sicurezza pubblica", afferma Oye. In effetti, Smolke ha recentemente testato la vitalità del loro ceppo in condizioni di produzione casalinga e ha scoperto che non produceva oppiacei. “Ma se qualcuno dovesse sviluppare una varietà di lievito con un percorso che è passato dal glucosio all'eroina con alta efficienza, allora hai un problema. Una tale tensione potrebbe avere il potenziale per gli oppiacei preparati in casa. "

Oye sottolinea inoltre che se si sviluppasse un tale ceppo di lievito, il controllo sulla distribuzione sarebbe estremamente difficile. "Questo è qualcosa che potrebbe essere riprodotto abbastanza facilmente e che sarebbe difficile da contenere o ricordare", dice. Sostiene che il dialogo precoce è essenziale per garantire precauzioni tecniche e politiche sicure, come la progettazione di ceppi di lievito che dipendono da sostanze nutritive difficili da ottenere, inserendo marcatori che potrebbero aiutare nella rilevazione e aumentando la sicurezza del laboratorio. "In molti casi, le opzioni per mitigare il rischio potenziale sono limitate al termine del lavoro", afferma Oye.

Smolke concorda, aggiungendo: “Credo che ci debba essere un processo deliberativo aperto per discutere le reali preoccupazioni e come sviluppare strategie per mitigare questi rischi. Non dipende solo dalla tecnologia, ma anche dai responsabili politici, dalle forze dell'ordine e dalla comunità medica. E se questa ricerca catalizza una discussione al riguardo, penso che sia davvero importante. "

Un lievito geneticamente modificato trasforma lo zucchero in antidolorifici