Fans av homebrewed øl og bakgård destillerier allerede vet hvordan å ansette gjær for å konvertere sukker til alkohol.
Nå har bioengineers gått mye lenger ved å fullføre viktige skritt som trengs for å slå sukkerfôr til en mikrobiell fabrikk for å produsere morfin og potensielt andre stoffer, inkludert antibiotika og anti-kreftbehandling.
I løpet av det siste tiåret har en håndfull syntetisk-biologiske laboratorier jobbet for å replikere en kompleks, 15-trinns kjemisk vei i valmuer i mikrober for å tillate produksjon av terapeutiske medisiner.
Forskningsgrupper har selvstendig gjenopprettet ulike deler av valmøraens rusmiddelbane E. coli eller gjær, men det som hadde gått til nå var de siste trinnene som ville tillate en enkelt organisme å utføre oppgaven fra start til slutt.
En gjennomførbar utfordring
En ny studie publisert på nettet i tidsskriftet Natur Kjemisk Biologi viser hvordan forskere har overvinnet det som hindrer ved å kopiere de tidlige trinnene i banen i en konstruert gjærstamme. De var i stand til å syntetisere retikulin, en sammensetning i valmue, fra tyrosin, et derivat av glukose.
"Det du virkelig ønsker å gjøre med et gjæringsperspektiv, er å kunne mate gjærsukkeret, som er en billig sukkerkilde, og få gjæret alle de kjemiske trinnene som kreves nedstrøms for å gjøre ditt mål terapeutiske legemiddel, sier John Dueber , studiens hovedforsker og assistent professor i bioengineering ved University of California, Berkeley.
"Med studien har alle trinnene blitt beskrevet, og det er nå et spørsmål om å knytte dem sammen og å skalere prosessen. Det er ikke en trivial utfordring, men det er gjennomførbart. "
Valmuevei
Kvaliteten som gjør valpens plantevei så utfordrende er de samme som gjør det til et så attraktivt mål for forskning.
Det er komplekst, men det er grunnlaget for at forskere kan bygge nye terapier. Benzylisoquinolinalkaloider, eller BIA, er klassen av høyt bioaktive forbindelser som finnes i valmue, og den familien inneholder noen 2,500 molekyler isolert fra planter.
Kanskje den mest kjente stien i BIA-banen er den som fører til opiater, som kodein, morfin og thebaine, en forløper for oksykodon og hydrokodon. Alle er kontrollerte stoffer. Men forskjellige stier vil føre til antispasmodisk papaverin eller til antibiotikumforløperen dihydrosanguinarine.
"Planter har langsomme vekstsykluser, så det er vanskelig å fullt ut undersøke alle mulige kjemikalier som kan gjøres fra BIA-banen ved å genetisk manipulere valmuen," sier forfatteren William DeLoache, PhD-student i bioengineering. "Flytting av BIA-banen til mikrober reduserer kostnadene ved narkotikaforskning dramatisk. Vi kan enkelt manipulere og tune DNA av gjær og raskt teste resultatene. "
Ved å repurposing et enzym fra rødbeter som naturlig brukes i produksjonen av sine levende pigmenter, kan forskere koaksere gjær for å konvertere tyrosin, en aminosyre som er lett avledet fra glukose, til dopamin.
Rødt flagg for regulatorer
Med hjelp fra laboratoriet av Vincent Martin, professor i mikrobiell genomikk og ingeniørvitenskap ved Concordia University, kunne forskere rekonstruere hele syv-enzymbanen fra tyrosin til retikulin i gjær.
"Å komme til retikulin er kritisk fordi derfra de molekylære trinnene som produserer kodein og morfin fra retikulin, allerede er beskrevet i gjær, sier Martin. "Retikulin er også et molekylært knutepunkt i BIA-banen. Derfra kan vi utforske mange forskjellige veier til andre potensielle stoffer, ikke bare opiater. "
Funnet dramatisk øker klokken for når homebrewing narkotika kan bli en realitet, sier forskere, og advarsel om at regulatorer og politimyndigheter skal ta hensyn.
"Vi ser sannsynligvis på en tidslinje av et par år, ikke et tiår eller mer, når sukkerholdig gjær på en pålitelig måte kan produsere et kontrollert stoff," sier Dueber. "Tiden er nå å tenke på retningslinjer for å ta opp dette forskningsområdet. Feltet beveger seg overraskende fort, og vi må være ute foran, slik at vi kan redusere potensialet for misbruk. "
I en kommentar publisert i Natur og tidsbestemt med offentliggjøring av den nye studien, anmoder politiske analytikere om snarlig regulering av denne nye teknologien. De fremhever de mange fordelene med dette arbeidet, men de peker også på at "individer med tilgang til gjærstammen og grunnleggende ferdigheter i gjæring ville være i stand til å vokse gjæren ved hjelp av ekvivalenten av et homebrew kit."
De anbefaler å begrense konstruerte gjærstammer til lisensierte anlegg og til autoriserte forskere, og noterer at det ville være vanskelig å oppdage og kontrollere ulovlig transport av slike stammer.
Mens slike kontroller kan hjelpe, sier Dueber, "En ekstra bekymring er at når kunnskapen om hvordan man oppretter en opiatproduksjonstamme er der ute, kan alle som er opplært i grunn molekylærbiologi teoretisk bygge den."
Et annet mål for regulering er selskapene som syntetiserer og selger DNA-sekvenser. "Begrensninger er allerede på plass for sekvenser knyttet til patogene organismer, som kopper," sier DeLoache. "Men kanskje det er på tide, ser vi også på sekvenser for å produsere kontrollerte stoffer."
