Биоинженеры собрали в пекарских дрожжах полный путь синтеза растительного алкалоида — носкапина, который известен как препарат от кашля, но также обладает противораковым эффектом, говорится в статье в Proceedings of the National Academy of Sciences. Возможно, в ближайшем будущем алкалоид можно будет получать при помощи микробной биотехнологии, вместо того, чтобы выделять его из опиумного мака.

Носкапин — алкалоид опиумного мака — более 50 лет используется в мире в качестве препарата от кашля. В отличие от других веществ, содержащихся в маке, он не обладает болеутоляющим и наркотическим эффектами, зато в нескольких исследованиях продемонстрировал свойство подавлять рост раковых клеток. В настоящее время носкапин и его производные (носкапиноиды) рассматриваются как потенциальные противоопухолевые агенты, а в некоторых странах его даже «нелегально» используют как лекарство от рака.

Носкапин традиционно получают из растительного сырья, однако, по сравнению с опиоидами его производство оказывается невыгодным, а химический путь синтеза слишком дорогой для получения крупных партий продукта. В 2012 году в геноме мака был идентифицирован кластер из 10 генов, необходимых для синтеза носкапина, и с тех пор биоинженеры пытались наладить микробный способ производства и приспособить для синтеза вещества пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae.

Исследователи из Стэнфордского университета под руководством Кристины Смолке (Christina Smolke) ранее смогли воспроизвести путь синтеза носкапина в дрожжах из его предшественников. В новой работе ученые объединили в одном штамме ферменты для поэтапного биосинтеза ключевых точек производства вещества — (S)-ретикулина из глюкозы, затем (S)-канадина из (S)-ретикулина и наконец, носкапина из (S)-канадина. Таким образом, итоговый штамм способен производить носкапин из универсального сырья — глюкозы.

Для того, чтобы воспроизвести путь синтеза, авторы встроили в геном дрожжей 25 гетерологичных генов из других организмов — бактерий, растений и млекопитающих, а также увеличили экспрессию шести собственных дрожжевых генов. Штаммы, полученные в первых экспериментах, синтезировали носкапин в очень маленьких количествах, порядка сотни нанограммов на литр. Однако дальнейшая оптимизация экспрессии генов и условий ферментации привела к росту продуктивности в 18 тысяч раз, и итоговый штамм производил уже несколько миллиграммов вещества на литр ростовой среды. Тем не менее, для промышленного производства продуктивность дрожжей необходимо будет увеличить еще как минимум в сто раз, а также снизить концентрации побочных продуктов синтеза.

Ученые подчеркивают, что их работа открывает возможность синтеза множества сложных растительных алкалоидов при помощи микробной биоинженерии. Такой подход позволит не зависеть от растительного сырья и получать необходимые вещества в стандартных условиях на заводе.

Ранее исследовательская группа Смолке собрала в пекарских дрожжах полный путь синтеза из глюкозы двух опиоидов: предшественника морфина тебаина и наркотического анальгетика гидрокодона.

Автор: Дарья Спасская