Science：酵母菌生产阿片类药物

来源：生物谷   发布者：亦云   日期：2015-08-18  

这是合成生物学至今最复杂的壮举之一：一群研究人员将植物，细菌和啮齿动物基因混合导入酵母菌中。改造过的酵母菌成功地将糖转化为蒂巴因（thebaine）—吗啡等强大止痛药物的前体。该研究团队还发现，进一步调整过的酵母可以产生氢可酮，一种广泛使用的，由蒂巴因化学合成的止痛药。这篇文章发表在最新的Science。 “这是一个重大的里程碑，”Jens Nielsen，瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的合成生物学家评价说，“这项工作展示了合成生物学日益精益地将复杂的代谢途径转移到微生物的发展。 通过调整酵母途径，药物化学家能够生产更有效，成瘾性更低的阿片类止痛药的版本。但一些生物政策专家们担心，制造吗啡的酵母菌株会被非法的制药商利用，就如同在家自己酿造啤酒一样的制造海洛因。这种担忧使得研究小组的领头人Christina Smolke—斯坦福大学的合成生物学家，决定在使酵母菌株的产生完整的吗啡生成途径之前停止。而药品制造商可以使用产物蒂巴因做出新的化合物。 合成生物学家此前设计生产青蒿素（抗疟疾药物）的酵母菌，但这仅需要插入少数植物的基因。为了让酵母菌产生蒂巴因，Smolke团队改造细胞表达一共21个基因，来自多种物种（见图），而生产氢可酮更需要23个基因。 他们的成功，似乎是在竞争中获得。去年，Smolke的研究小组就已经报告了工程酵母可以执行蒂巴因到吗啡转换的过程。今年四月，Vincent Martin，加拿大Concordia大学的一个微生物学家，和他的同事表示，他们已经改造酵母菌，可以完成更早的中间化合物R-reticuline转化到吗啡的过程。几个星期后，John Dueber，加州大学伯克利分校的合成生物学家，和他的同事宣布他们改造的酵母菌可以进行从葡萄糖到另一中间化合物S-reticuline途径的前半部分。六月下旬，另外两组科研队伍宣布他们确定了一直在寻找的从S-reticuline转化到R-reticuline需要的酶。即便如此，许多人仍然预言需要几年时间才能把所有发现拼在一起。而事实证明，早在五月Smolke和她的同事在很大程度上已经完成了这个任务。 Smolke计划继续改善这个成果。酵母菌需要将产量增加10万倍才能引起制药公司的兴趣。这并不容易。但有科学家指出已经有研究人员将酵母制作的青蒿素产出增加了类似的倍数。所以这都可以发生，唯一的问题是如何快速实现。 为了跟上酵母工程的发展，政策专家需要制定新规则，限制工程微生物意外使用的风险。因为是生产阿片类药物的酵母，规定需要考虑禁止发展菌株生产非法药物如海洛因，并要求科学家构建相关基因以防止微生物流出实验室环境。（生物谷Bioon.com） 　　罂粟植物作为鸦片、镇定剂玛咖以及止痛药物原料已经有数千年，如今一研究小组将酵母与植物、细菌以及啮齿动物的基因混合转化成二甲基玛咖，通过进一步调整，酵母还可转化为氢可酮，氢可酮是一种广泛使用的止痛药。通过调整酵母途径，药物化学家可以合成更有效、成瘾性更小的麻醉剂和止痛剂。但有些专家担心非法制造商会用此来制造海洛因，对社会造成危害。 　　酵母工程生产二甲基玛咖 　　合成生物学家曾利用酵母生产青蒿素（一种抗疟化合物），这个过程只需要插入少量的植物基因即可。但用酵母生产二甲基玛咖，研究人员需要诱导细胞表达21个基因，包括需要补充一组不同物种的基因，合成氢可酮时用了23个基因。斯坦福大学合成生物学家Christina Smolke引领了此项研究。查尔姆理工大学合成生物学家Jens Nielsen说，这是个重要的里程碑，揭示了生物合成增加了代谢途径转移至微生物的复杂性。 　　许多人预计这个研究需要数年时间才能完成。但事实证明，早在今年5月份Smolke教授及其同事就已经完成了这个工作，说明这领域的发展速度非常快，麻省理工大学生物技术政策专家Kenneth Oye表示。 　　Smolke教授说，最大的挑战是提高每一步的效率，以免损失，例如，一种称为SalSyn 的植物酶在将R-reticuline 转化为 salutaridine化合物时效率很低。最后，Smolke团队发现酵母使酶反应发生错误并导致糖合成错误，研究人员通过在酵母中插入植物基因来解决这个问题。 　　Smolke教授通过进一步调整，运用微生物来大幅度增加二甲基玛咖的产量。制药商对此十分感兴趣，他们想利用此来制造药品，但这不会那么容易。但Martin教授说他们曾经通过酵母合成技术大幅度增加了青蒿素的产量，因此这是有可能的，唯一的问题就是速度的问题。最近Smolke教授成立了一个公司，名叫Antheia，旨在推动这个领域的发展速度。 　　今年4月份，加拿大蒙特利尔康考迪亚大学微生物学家Vincent Martin及其同事说他们已经制造出可合成玛咖中间化合物R-reticuline的酵母。几周后，加利福尼亚大学合成生物学家John Dueber及其同事宣布了在酵母合成途径的最初过程是由葡萄糖转化为S-reticuline中间化合物。最终六月下旬，两组研究报道了他们已经确认化学转化所需的酶为S-reticuline和 R-reticuline。 　　专家担忧非法制造商会利用此技术来生产海洛因 　　Smolke的此次研究于本周在线报道在Science上，开启了酵母合成鸦片类药物的激辩大门。通过调整酵母途径，药物化学家可以合成更有效、成瘾性更小的麻醉剂和止痛剂。但有些专家担心非法制药商可能会利用这种酵母菌株酿造海洛因，就如啤酒爱好者在家酿造啤酒一样，一个简单的化学转化就可以制造出毒品。这种担忧也是该研究小组停止酵母菌株合成玛咖转化过程的原因，但药品制造商同样还可以用二甲基玛咖来制造出新的化合物。 　　为了跟上这一酵母工程， Oye说政策专家应该出台新的规定来限制转基因微生物的利用，以降低风险。在酵母合成类鸦片剂的事件中，这样的政策可禁止制造商利用菌株生产非法药物，比如海洛因，同时还需要科学家在基因上做好控制，以防止实验室微生物污染外界生活环境。 　　但不是所有人都对此担心，德克萨斯大学合成生物学家Andrew Ellington说这种担忧有些夸大其实。他认为可笑的想法是通过酵母生产微乎其微的少量鸦片可小化从罂粟中制造非法毒品的问题。但Martin不同意，他表示在芝加哥不是每个人都可以获得罂粟，但容易获得酵母。 科技日报北京8月17日电 （记者王小龙）酵母不但能用来发面蒸馒头，也能用来制造止痛药。日前，发表在《科学》上的一项研究介绍了一种用转基因酵母生产吗啡类止痛药的方法。研究人员称，该法不但能将药物的生产周期从一年缩短到几天，还能将成本降低到传统方法的十分之一，未来技术成熟后，有望大幅降低相关药物的零售价格。 止痛药的生产往往需要经过一个漫长的过程：首先由得到许可的农民种植罂粟，等罂粟成熟后再送到制药公司，提取阿片类的药物分子配以其他成分制成药物。这个过程往往需要耗时一年左右。由于植物很容易受到天气、病虫害等因素的影响，传统生产方法往往存在很多不可控因素。 美国斯坦福大学生物工程学家克里斯蒂娜·斯默克和她的研究小组认为，转基因工程酵母可能会取代这一过程。在新研究中，他们对面包酵母的遗传机制进行了重新编程，让酵母细胞将糖转化成一种吗啡的近亲——氢可酮。该物质具有和可待因（又称甲基吗啡）特性相似的多种活性，能用于止痛和镇痛。除此之外，这种方法还可以用来制造治疗癌症、传染病、高血压以及关节炎的药物。新方法也给生产商用不同化合物制造药品提供了更大的灵活性。 研究人员认为，随着研究的进一步深入，用这种转基因酵母生产止痛药的成本可以降到传统方法的十分之一。 这将是一件很重要的事情，因为服用这些药物的人在全球人口中占有很大比例。据世卫组织估计，全球有超过50亿人没有或很少能得到所需的止痛药。研究人员希望新方法能够大幅降低这些药品的价格，让更多患者能以较低的价格获得自己需要的药物。 不过斯默克也承认，新技术暂时还不够完美：目前生产一剂止痛药要耗费20000升工程酵母。下一步，研究人员需要增加每个细胞对酶的利用效率，优化酵母生产药物的数量，提高工程酵母的效率。斯默克认为，一个资金雄厚的公司有望在5年至6年内破解这些难题。 　　新浪科技讯 北京时间8月19日消息，据国外媒体报道，传统的鸦片生产方式是，利用罂粟种荚中渗出的白色乳液获取鸦片，制成吗啡、氧可酮以及其他合成药物。不过，美国斯坦福大学生物工程专家最新研究发现，利用改变基因的酵母可以复制整个鸦片生产过程，用少量酵母和糖制造出鸦片这种商业药品，而且完全不需要罂粟。科学家们的研究成果发表于《科学》杂志之上，不过他们也警告称，这只是实验室研究成果，只可用于科学研究和临床医药，千万不能被非法用于毒品生产。 　　一直以来，人们利用罂粟种荚中渗出的白色乳液获取鸦片，制成吗啡、氧可酮以及其他复合药物。但是，如果研究人员和制药公司运用最新科学方法，就可用少量酵母和糖制造出鸦片这种商业药品。生物工程师克里斯蒂娜-斯默克带领斯坦福大学的科研团队，十多年来已成功利用基因工程技术解决鸦片制作问题，在发酵缸中生产阿片。近期，他们在《科学》杂志上发表了这一科技成果，称可以利用酵母制作止痛药氢可酮和蒂巴因，后者是一种阿片生物碱，可转变为氧可酮、氧吗啡酮，以及用来治疗药物过量和滥用的药品。 　　斯坦福研究团队改变酵母的基因并加入糖，制造出人们所需的药物，原理和生产面包、啤酒很像。当然，除了平衡酒精发酵的副产品之外，这些改变了基因的酵母会产生酪氨酸，这是一种先于阿片产生的氨基酸。在基因工程技术的魔杖下，酵母会继续发酵，生成少量阿片。用来发酵啤酒与制造鸦片的酵母，其培育过程截然不同。斯默克表示：“在制造鸦片的过程中，酵母细胞是在封闭的生物反应器中培育的，我们可以精确地控制其搅拌程度、通气量、营养物，以及PH值等其它因素。” 　　当然，历史教训告诉我们，世上只要有药品存在，就会有人滥用它，这有点类似于“墨菲定律”。所有啤酒酿造师或烘焙师都会告诉你，培育酵母并无特别难度。因此，专家警告要谨慎酵母的自制培育。斯默克指出：“随着我们继续推进改良菌株的基因改变工程，这些论断都很容易检测，也将接受检测。”斯默克及其研究团队进行了一次小型研究，将两种改变基因的菌株与制作英国啤酒的酵母进行比较。通过比较，研究人员发现，制作啤酒的酵母在发酵瓶中发挥着调控作用，而基因改变的菌株则完全没有发挥这一功能。无论是改变基因的菌株，还是制作啤酒的酵母，都未能产生蒂巴因，只有一种菌株产生了少量网脉碱。总的来说，如果人们拿到斯坦福菌株，还是很难利用家庭酿造设备制造生产出什么东西。 　　即使人们企图在实验室制作生产摊头药物，斯坦福酵母菌株也只能生产出蒂巴因和氢可酮——与吗啡不同，人们还需要专业技术和设备，将这些副产品转变成海洛因。在今年早期一次就家庭自制阿片的专访中，斯默克表示：“问题的关键在于，我们能否合理负责地发展微生物供应链，并尽量降低这些合成药物和供应链被滥用的可能性。在我看来，如果秉承着负责的研发态度，微生物供应链就可以应对各种挑战，如控制流向非法市场。” 　　在这一领域，全球科学家都在相继进行跨越式研究，并探索解决随之而来的问题。加利福尼亚大学伯克利分校宣布，改变基因的酵母可以产生网脉碱；随后纽约大学的研究人员表示，他们正在将罂粟生产鸦片这一难题中的最后几步连缀起来。最后，斯坦福研究团队发现，可以利用改变基因的酵母，复制整个鸦片生产过程，而且完全不需要罂粟。研究人员竞相突破这一领域的研究瓶颈目的非常明确：由于几乎没有哪个国家允许罂粟种植，因此鸦片供应链很容易受到农作物种植失败和恶劣气候变化的影响。然而，反观当前臭名昭著的毒品贸易，一些科学家担心酵母会被非法制药者利用，从而刺激药品滥用和贩毒活动。 　　由于掌握罂粟的合成途径极其复杂，因此研究人员几乎无法寻求到一种更安全、少成瘾的替代物，来获取人们所需的鸦片制剂。斯坦福研究团队的酵母则可以解决这一问题。斯默克表示，研究人员目前致力开发的技术，将为低成本研发抗癌疗法、抗生素，以及其它药物奠定基础。她在论文中写道：“利用这一技术，我们将有可能为需要它的患者提供足够的药物。”由于斯坦福酵母的阿片产量很低，因此研究团队下一目标将是如何提高产量，以达到商业需求量。斯默克表示：“我相信，两年内就可以更新这项技术，利用酵母大规模生产出阿片。”届时，罂粟种植者可能要准备失业了。（彬彬）

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