Sinds de oudheid hebben wijnmakers, brouwers en bakkers de gisteigenschappen van gist gebruikt om brood te laten rijzen en alcoholische plengoffers te produceren. Maar nu heeft een team van wetenschappers aan de Stanford University deze renaissancemicrobe genetisch gemodificeerd voor een uniek doel: het wegpompen van opiaatpijnstillers.
gerelateerde inhoud
- Vierduizend jaar geschiedenis van Aspirin
- 11 redenen om van bacteriën, schimmels en sporen te houden
- Amerikaanse heroïne overdosis bijna viervoudig
Hoewel het onwaarschijnlijk is dat je binnenkort opiaten in je lokale microbrouwerij zult vinden, tonen de resultaten een grote belofte in het versnellen van het productieproces voor deze medicijnen, evenals het openen van deuren voor de ontdekking van nieuwe medicijnen.
"Veel van onze medicijnen worden verplaatst naar productie door biotechnologie", zegt studie-auteur Christina Smolke, universitair hoofddocent bio-engineering aan Stanford. "Planten doen echt geavanceerde biochemie om deze verbindingen te maken, maar de uitdaging is dat ze het niet noodzakelijkerwijs efficiënt doen."
Historisch gezien zijn alle opiaatpijnstillers afgeleid van de opiumpapaver, die legaal wordt gekweekt op locaties zoals Australië, Europa en India en naar productiecentra wordt verzonden. De plantaardige stoffen worden vervolgens geïsoleerd, verfijnd en omgezet in geneesmiddelen op recept in een proces dat een jaar of langer kan duren van boerderij tot apotheek.
Net als elk ander gewasafhankelijk product, kunnen opiaten worden blootgesteld aan ongedierte, droogte, veranderingen in het klimaat en andere variabelen die de productie van bekende medicijnen zoals morfine, codeïne, oxycodon en hydrocodon kunnen beperken (beter bekend onder de merknaam Vicodin ). Gezien deze beperkingen wilden de onderzoekers het hele landbouw- en productieproces samenpersen tot een enkele bioreactor die binnen enkele dagen pijnstillers kon produceren.
"We wilden laten zien dat je een proces kunt nemen dat traditioneel wordt verdeeld over zowel biologische als chemische synthese en het volledig kunt integreren in een syntheseroute in gist, " zegt Smolke.
Er waren aanmoedigende precedenten voor het maken van plantaardige medicijnen met behulp van synthetische biologie. In 2006 werd het anti-malariamiddel artemisinine, afgeleid van de zoete alsemboom, met succes geproduceerd uit genetisch veranderde gistcellen. Dit biosynthese-proces breidde zich snel uit: gist-gemaakte artemisinine is momenteel goed voor ongeveer een derde van de wereldvoorraad. En eerder dit jaar heeft een team van UC Berkeley brouwersgist ontwikkeld om een van de bouwstenen van morfine te maken.
Om hun gist over de biochemische route voor opiaten te halen, moesten de Stanford-onderzoekers eerst elke enzym-geactiveerde stap in de syntheseketen breken die tyrosine, een aminozuur dat de gist van suiker maakt, omzet in thebaïne, een voorloper van veel voorkomende opioïde pijnstillers. De wetenschappers zouden dan de genen kunnen inbrengen die nodig zijn om thebaine om te zetten in hydrocodon. Maar na al dit biochemische bouwwerk liep het team een technische hindernis tegen - ze waren niet in staat om een voldoende hoeveelheid opioïde product te creëren. Ze ontdekten dat de gist de aanwijzingen verkeerd interpreteerde om het eiwit nodig te maken om een belangrijk stadium in de productielijn te bereiken.
"Vervolgens moesten we de instructies herschrijven voor hoe gist het eiwit zou moeten maken, zodat het beter zou modelleren hoe de plant het deed", zegt Smolke. Tegen het einde van het proces hadden de onderzoekers de gistcellen gereconstrueerd met 23 nieuwe genen uit verschillende organismen, waaronder verschillende plantensoorten, ratten en bacteriën. Maar zelfs nu is het totale proces te inefficiënt en is er meer dan 4.400 gallon gist nodig om een enkele dosis hydrocodon te produceren.
"Volgens onze schattingen zouden we de efficiëntie van het proces met 100.000 keer moeten verbeteren om klaar te zijn voor commerciële productie, " zegt Smolke, wiens team deze week de resultaten rapporteert in Science . "Maar wij geloven dat dit haalbaar is en zijn dat werk al begonnen."
De auteurs wijzen op verschillende voordelen die zouden voortvloeien uit het optimaliseren van hun proces. Ten eerste zou het de productiekosten voor opiaten aanzienlijk verlagen, waardoor kansen worden gecreëerd om naar schatting 5, 5 miljard mensen te bereiken die beperkte toegang hebben tot pijnstillers. En omdat dit een volledig op zichzelf staand proces is, kan het overal plaatsvinden - waardoor de afhankelijkheid van geografie en klimaat wordt weggenomen, terwijl een betere beheersing en kwaliteitscontrole mogelijk wordt. De geïntegreerde gistsynthese maakt ook land vrij voor andere soorten landbouw: het verbouwen van suikerriet om de gist te voeden, neemt veel minder landoppervlak in beslag dan nodig is voor papaver.
Maar misschien komt het grootste voordeel van deze technologie voort uit de flexibiliteit om nieuwe medicinale stoffen te verkennen die effectiever zijn en minder bijwerkingen hebben.
"Mensen werken aan alle soorten zeer interessante alternatieven voor conventionele opiaten, " zegt Kenneth Oye, universitair hoofddocent politieke wetenschappen en technische systemen aan het Massachusetts Institute of Technology. "Het grote voordeel van de overstap van traditionele productietechnieken naar deze routes voor synthese in gist is dat de routes veel gemakkelijker worden gewijzigd, waardoor nieuwe verbindingen gemakkelijker kunnen worden gesynthetiseerd."
Toch zijn er belangrijke veiligheids- en misbruikoverwegingen om het gemakkelijker te maken om opiaten te produceren.
"Ik denk niet dat de soort die is ontwikkeld door het laboratorium van Christina Smolke een grote bedreiging vormt voor de volksgezondheid en de veiligheid, " zegt Oye. Smolke heeft inderdaad onlangs de levensvatbaarheid van hun soort onder thuisbrouwomstandigheden getest en geconstateerd dat het geen opiaten produceerde. “Maar als iemand een giststam zou ontwikkelen met een pad dat met hoge efficiëntie van glucose naar heroïne ging, dan heb je een probleem. Een dergelijke soort kan het potentieel hebben voor opiaten voor thuisbrouwen. '
Oye wijst er ook op dat als een dergelijke giststam zou worden ontwikkeld, controle over de distributie uiterst moeilijk zou zijn. "Dit is iets dat redelijk gemakkelijk kan worden gereproduceerd en dat moeilijk te bevatten of op te roepen is", zegt hij. Hij stelt dat een vroege dialoog van essentieel belang is om veilige technische en beleidsmaatregelen te garanderen, zoals het ontwikkelen van giststammen om afhankelijk te zijn van moeilijk verkrijgbare voedingsstoffen, het plaatsen van markers die kunnen helpen bij detectie en het verbeteren van de laboratoriumveiligheid. "In veel gevallen zijn uw opties om het potentiële risico te beperken beperkt zodra het werk is voltooid", zegt Oye.
Smolke is het daarmee eens en voegt eraan toe: “Ik geloof dat er een open deliberatief proces moet zijn om de echte zorgen te bespreken en strategieën te ontwikkelen om deze risico's te verminderen. Het is niet alleen afhankelijk van de technologie, maar ook beleidsmakers, wetshandhavers en de medische gemeenschap. En als dit onderzoek een discussie daarover katalyseert, denk ik dat dat echt belangrijk is. ”
