6 Minutės
Jie rado trumpą kelią. Vietoje to, kad prižiūrėtų Withania somnifera eilutes, tyrėjai išmokė paprastą kepimo mielę gaminti molekules, ilgą laiką siejamas su ašvagandos raminamuoju poveikiu.
Šimtmečius ašvaganda buvo užplikoma, džiovinta milteliais ir skiriama Pietų Azijos tradicinėje medicinoje. Pastaruoju metu šakniastiebio ir šaknų ekstraktai išplito po viso pasaulio parduotuves kaip miego gerinimo priemonės, streso mažinimo papildai ir mada tarp „wellness“ produktų. Aktyviosios cheminės medžiagos, į kurias dažniausiai kreipiamasi, yra steroidinių laktonų klasė, vadinama withanolidais. Tačiau šių junginių išgavimas iš šaknų yra lėtas, reikalauja daug žemės ir labai priklauso nuo derliaus kokybės.
Todėl bioinžinerijos grupė apvertė gamybos problemą: jei galima perskaityti augalo receptą, kodėl jo neperduoti organizmui, kuris auga greitai ir atlieka fermentaciją pramoniniu mastu? Mokslininkai sekvenuodami ištirs aukščiau minėtos ašvagandos genomą, ieškojo genų, atsakingų už withanolidų sintezę, ir perkėlė dalį šių genų į Saccharomyces cerevisiae — kasdienę mielę.
Withanolidai yra randami ašvagandos šaknyse.
Tai pavyko. Ne tobula, bet pavyko. Kai į mielių genomą buvo įsiūta šešių augalo genų rinkinys, mikroorganizmai pradėjo konstruoti withanolido molekules per kelias dienas. Iki šiol pranešti koncentracijos lygiai yra miligramai litre — mažai lyginant su galutiniu vaistu, bet aiški pradžia optimizacijai ir skalei didinti.
Nuo geno iki fermentoriaus: kaip susiderina dalys
Sekvenavimas atskleidė fermentų klasterius, kurie augale veikia kaip gamybos linija. Tyrėjai identifikavo šešis esminius fermentus ir užkoduoti juos mielių platformoje. Mielės ir augalai evoliuciškai išsiskyrė maždaug prieš milijardą metų. Vis dėlto, kai molekuliniai komponentai buvo įvesti į mikroorganizmus, biocheminė mašinų sistema juos priėmė ir sintezės kelias „įsijungė“.
Komanda nustatė ir optimizavo baltymų ekspresiją, promotorų reguliavimą ir kofermentų prieinamumą taip, kad įdiegtas biosintetinis kelias būtų veiksmingesnis. Be to, mokslininkai apjungė genomikos tyrimus su funkcine biochemija: jie ne tik rado kandidatų genus, bet patvirtino kiekvieno fermento aktyvumą in vitro prieš juos sujungiant į mielių sistemą.
„Mes ne tik atradome kelią per šią mielių inžinerijos strategiją, bet straipsnio pabaigoje turime prototipinę mielių štamą, kurią galima industrializuoti withanolidų gamybai“, sako Jing-Ke Weng, pagrindinis straipsnio autorius ir bioinžinierius Northeastern universitete. „Iš tiesų nustebome, kad tai pavyko.“
Pasiekimas yra ir pragmatiškas, ir pritaikomas: pragmatiškas todėl, kad mieles galima greitai auginti kontroliuojamuose rezervuaruose; pritaikomas todėl, kad mikrobinė sistema leidžia paprasčiau reguliuoti, kurie tikslūs withanolidų analogai bus gaminami. Tai svarbu, nes skirtingi analogai gali turėti skirtingą biologinį poveikį ir saugumo profilį.
Šiuo metu išeiga yra kukli, bet sintezės kelias yra apibrėžtas. Tai atveria pažįstamus sintetinių biologų maršrutus: fermentų inžineriją, promotorų derinimą, metabolinį balansavimą ir fed-batch fermentaciją, kad titrai kilsteltų nuo miligramų litro link komerciškai reikšmingų lygių.
Techninė optimizacija apima kelis etapinius žingsnius: padidinti prekursorinių metabolitų srautą, sumažinti nepageidaujamų tarpininkų kaupimąsi, pagerinti subcellular perpildymo (pvz., perdirbti transporterius organelėse) ir užtikrinti, kad produkto stabilumas išliktų proceso metu. Kartu tai reikalauja iteratyvaus ciklo tarp in silico modelių, laboratorinių patikrinimų ir didelio tūrio fermentacijos bandymų.
Poveikis medicinai, pramonei ir tyrimams
Microbiali gamybos mastelio didinimas gali pakeisti, kaip maisto papildų gamintojai įsigyja aktyviuosius ingredientus ir kaip tyrėjai vertina terapinius teiginius. Daugelis komercinių produktų jau reklamuoja ašvagandą kaip priemonę nerimui mažinti ir geresniam miegui. Iš paskelbtų klinikinių tyrimų stipriausias signalas rodo nedidelį anxiolitinį efektą, tačiau tyrimai yra nevienareikšmiai, o šalutiniai poveikiai — pykinimas, viduriavimas ir didesnėmis dozėmis kepenų toksiškumas — kelia realų susirūpinimą.
Pure withanolidų gamyba laboratorijoje, o ne žaliavinių šaknų ekstrahavimas, turi kelis pranašumus: dozės kontrolė gerėja, saugumo vertinimas tampa aiškesnis, o vaistų chemikai gali greičiau tirti struktūros ir funkcijos ryšius, jei gali užsisakyti gramų kiekius atskirų molekulių, o ne miligraminius augalinių ekstraktų likučius.
Be to, mikrobų biosintezė leidžia sukurti užtikrintą tiekimo grandinę: nepriklausomybė nuo klimato sąlygų, dirvos kokybės ir sezoninių svyravimų mažina riziką tiekimo sutrikimams. Tai ypač svarbu farmacijos pramonei, kur nuolatinis ir patikimas žaliavų srautas yra būtinas gamybos įmonėms ir klinikiniams tyrimams.
Tačiau perėjimas nuo augalo ekstraktų prie genetiškai inžinerinių mikroorganizmų kelia reguliacinius ir etikinius klausimus. Kaip bus ženklinami papildai ar vaistai, gauti iš modifikuotų mielių? Kurios agentūros prižiūrės mastelio didinimą, biologinę apsaugą, griovimo ir atliekų tvarkymą bei kokybės užtikrinimą? Atsakymai priklausys nuo nacionalinių ir tarptautinių politikų, farmakopėjų reikalavimų ir vartotojų lūkesčių.
Reguliavimo kraštovaizdis gali apimti kelis sluoksnius: maisto papildai dažnai turi silpnesnę priežiūrą nei vaistai, tačiau jeigu produkto gamyba remiasi inžineriniais mikroorganizmais, gali prireikti papildomų biologinio saugumo vertinimų ir tikslių žymėjimo reikalavimų. Farmacijos kompanijos, kurios sieks klinikinių indikacijų, turės laikytis griežtesnių GxP standartų ir pateikti kokybės, saugumo ir veiksmingumo įrodymus.
Gamybinis perėjimas taip pat atveria pramonines galimybes: kontraktinės fermentacijos gamyklos (CMO) galėtų pasiūlyti paslaugas su GMP atitinkančiais fermentoriais, o nauji startuoliai galėtų orientuotis į specifinių withanolidų analogų kūrimą pagal farmakologinius reikalavimus. Tai stiprina tiek klinikinės farmacijos vystymą, tiek specializuotų maisto papildų rinką.
Ekspertų įžvalgos
„Tai būtent toks šuolis, kurį žadėjo sintetininė biologija: paimti sudėtingą augalo sintezės kelią ir perkelti jį į sistemą, optimizuotą gamybai“, sako dr. Maya Patel, sintetinės biologijos tyrėja ir mokslo komunikatorė. „Techninės kliūtys dabar yra klasikinės mastelio didinimo problemos — padidinti metabolinio srauto pralaidumą per kelią ir užtikrinti produkto stabilumą. Jei tai bus išspręsta, tyrėjai galės testuoti terapinį efektyvumą su daug geresnėmis medžiagomis nei anksčiau.“
Publikavimas žurnale Nature Plants suteikia darbui matomumą ir kviečia kitas laboratorijas išbandyti alternatyvias optimizacijas. Pranešta sistema yra prototipas: karkasas iteracijoms, bet ne baigtas fabrikas. Vis dėlto net kaip koncepcijos patvirtinimas tai atveria duris vaistų atradimui, saugesniam papildų kūrimui ir griežtesniems klinikiniams tyrimams apie ašvagandos priskiriamus privalumus.
Kaip greitai ateis šis ateities scenarijus, priklauso nuo mokslo, pramonės ir reguliavimo sinchrono. Šiuo metu mielių štamai yra žurnalo puslapiuose ir inžinierių darbuose, planuojančių kitą tobulinimo etapą — tas dinamizmas gali paversti seną augalinį preparatą modernia, išbandoma molekule.
Tyrimų horizontas yra platus: nuo papildomų augalo geno variantų paieškos iki cheminės modifikacijos metodų, kurie gali pakeisti withanolidų farmakokinetiką. Taip pat svarbu tirti ilgesnio laikotarpio saugumo profilius ir galimas sąveikas su kitais dažnai vartojamais vaistais ar papildais. Galiausiai tarpdisciplininis bendradarbiavimas — tarp augalų mokslininkų, biochemikų, fermentacijos inžinierių ir reguliavimo specialistų — bus būtinas, kad technologija taptų saugiu ir prieinamu sprendimu rinkoje.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą