古代から、ワインメーカー、醸造者、パン屋は酵母の発酵特性を利用してパン種を作り、アルコール飲料を生産してきました。 しかし、現在、スタンフォード大学の科学者チームは、このルネッサンス微生物をユニークな目的でアヘン剤鎮痛剤を送り出すために遺伝子組み換えしました。
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地元の地ビール醸造所ですぐに麻薬を見つけることはまずありませんが、これらの薬の製造プロセスをスピードアップし、新薬の発見への扉を開くという結果は大きな見込みです。
「私たちの医薬品の多くは、バイオテクノロジーによる生産にシフトしています」と、スタンフォード大学のバイオエンジニアリングの准教授である研究者クリスティーナ・スモルクは述べています。 「植物はこれらの化合物を作るために非常に洗練された生化学を行いますが、課題は必ずしも効率的にそれを行うとは限らないことです。」
歴史的に、すべてのアヘン鎮痛剤は、オーストラリア、ヨーロッパ、インドなどの場所で合法的に栽培され、製造センターに出荷されるアヘン用ケシに由来しています。 植物化合物は、農場から薬局まで1年以上かかるプロセスで、分離、精製、処方薬に変換されます。
他の作物依存製品と同様に、アヘンは害虫の侵入、干ばつ、気候の変化、およびモルヒネ、コデイン、オキシコドン、ヒドロコドンなどのよく知られた薬の製造を制限する可能性のある他の変数の影響を受けます）。 これらの制限を考慮して、研究者は農業および製造プロセス全体を、数日で鎮痛剤を生産できる単一のバイオリアクターに圧縮したいと考えました。
「伝統的に生物学的合成と化学的合成の両方に分散されているプロセスを利用して、酵母の合成経路に完全に統合できることを示したかったのです」とSmolke氏は言います。
合成生物学を使用して植物ベースの医薬品を作成するための有望な先例が存在しました。 2006年、甘いよもぎの木に由来する抗マラリア薬アルテミシニンは、遺伝子組み換え酵母細胞から成功裏に生産されました。 この生合成プロセスは急速に拡大しました。現在、酵母製のアルテミシニンは世界の供給量の約3分の1を占めています。 そして今年初め、カリフォルニア大学バークレー校のチームは、モルヒネの構成要素の1つを作るためにビール酵母を設計しました。
酵母をアヘン剤の生化学経路に誘導するために、スタンフォード大学の研究者はまず、酵母が糖からテバインに作るアミノ酸であるチロシンを合成する合成チェーンの各酵素対応ステップを分解し、遺伝的に再作成する必要がありました多くの一般的なオピオイド鎮痛剤の前駆体。 科学者はその後、テバインをヒドロコドンに変換するのに必要な遺伝子を挿入することができました。 しかし、このすべての生化学的構築作業の後、チームは技術的なハードルに直面しました。彼らは十分な量のオピオイド製品を作成することができませんでした。 彼らは、酵母が生産ラインの重要な段階に到達するために必要なタンパク質を作るための指示を誤解していることを発見しました。
「その後、植物がどのようにタンパク質を処理しているかをより厳密にモデル化するために、酵母によるタンパク質の製造方法に関する指示を書き直す必要がありました」とSmolke氏は言います。 プロセスの終わりまでに、研究者たちは、いくつかの植物種、ラット、バクテリアを含むさまざまな生物からの23個の新しい遺伝子で酵母細胞を再構築しました。 しかし今でも、プロセス全体が非効率的であるため、1回のヒドロコドンの生産には4, 400ガロン以上の酵母が必要です。
「私たちの推定では、商業生産の準備をするためにプロセスの効率を100, 000倍改善する必要があります」とSmolke氏は言う。 「しかし、これは実現可能であり、すでにその作業を開始していると信じています。」
著者は、プロセスを最適化することから生じるいくつかの利点を指摘しています。 まず、アヘン剤の製造コストを大幅に削減し、鎮痛剤へのアクセスが制限されている推定55億人にアプローチする機会を創出します。 また、これは完全に自己完結型のプロセスであるため、場所や場所を問わず実行できます。地理と気候への依存を取り除き、より優れた封じ込めと品質管理を可能にします。 統合された酵母合成は、他の種類の農業のために土地を解放します。酵母を養うためにサトウキビを栽培することは、ケシ栽培に必要な土地面積よりはるかに少ない土地面積を占有します。
しかし、おそらくこのテクノロジーの最大の利点は、より効果的で副作用の少ない新しい医薬品化合物を探索できる柔軟性にあります。
「人々は、従来のアヘン剤のあらゆる種類の非常に興味深い代替品に取り組んでいます」と、マサチューセッツ工科大学の政治科学および工学システムの准教授であるケネス・オエは言います。 「従来の生産技術から酵母での合成経路に移行する大きな利点は、経路がはるかに簡単に変更され、新しい化合物の合成が容易になることです。」
それでも、アヘンの製造を容易にすることは、安全性と乱用に関する重要な考慮事項を伴います。
「Christina Smolkeの研究室が開発した株が、そのまま公衆衛生と安全に大きな脅威をもたらすとは思わない」とOyeは言う。 実際、Smolkeは最近、自家醸造条件下での菌株の生存率をテストし、アヘンを生成しなかったことを発見しました。 「しかし、誰かがグルコースからヘロインへと高効率で進む経路を持つ酵母株を開発する場合、問題があります。 そのような株は自家製のアヘンの可能性を秘めているかもしれません。」
Oyeはまた、そのような酵母株が開発された場合、流通の制御は非常に難しいだろうと指摘しています。 「これはかなり簡単に再現でき、封じ込めたり思い出したりするのが難しいものです」と彼は言います。 彼は、入手困難な栄養素に依存する酵母株のエンジニアリング、検出に役立つマーカーの挿入、研究室のセキュリティ向上など、安全な技術的および政策的予防策を確保するために、早期の対話が不可欠であると主張します。 「作業が完了すると、多くの場合、潜在的なリスクを軽減するための選択肢が制限されます」とOye氏は言います。
Smolkeは同意して、次のように付け加えます。「本当の懸念と、これらのリスクを軽減する戦略を開発する方法を議論するために、オープンな審議プロセスが必要だと思います。 テクノロジーだけでなく、政策立案者、法執行機関、医療界にも依存しています。 そして、この研究がそれに関する議論を触媒するなら、それは本当に重要だと思います。」
