Fabryka w komórce

Alkaloidy tropanowe wykorzystywane są jako leki lub trucizny od stuleci. Należy do nich m.in. dobrze znana wszystkim okularnikom atropina, która powoduje poszerzenie źrenic i dzięki temu umożliwia przeprowadzenie szczegółowego badania dna oka. Ale te naturalnie produkowane przez rośliny związki stosowane są także w leczeniu bólu, objawów astmy, grypy czy choroby Parkinsona. Niektóre wpływają na funkcjonowanie umysłu i świadomości. To właśnie alkaloidy tropanowe miały zostać podane, w postaci wywaru z bielunia, przez czarodziejkę Kirke towarzyszom Odyseusza, co wywołało u nich amnezję i halucynacje.

Pozyskiwanie tych związków tradycyjnie opierało się na ich izolacji bezpośrednio z roślin, jednak jest to kosztowny i mało wydajny, a przez to obarczony ryzykiem rynkowym proces. Dlatego szuka się alternatyw przy pomocy metod biologii molekularnej. Oraz przy użyciu drożdży.

Drożdże piekarskie znajdują się w centrum zainteresowania przemysłu biotechnologicznego. Nie tylko ze względu na ich zastosowanie w piekarniach i browarach. To właśnie w drożdżach odbywa się na skalę przemysłową produkcja ludzkiej insuliny, podawanej chorym na cukrzycę. Próbuje się je także zaprząc do produkcji innych związków – np. artemizyny, wykorzystywanej w leczeniu malarii (w 2006 r. opisano przeniesienie do drożdży szlaku syntezy tego leku z ziela Artemisia annua). Drożdże są łatwe w hodowli na dużą skalę, a naukowcy doskonale rozumieją ich biologię i już dawno opracowali skuteczne metody inżynierii genetycznej.

We wrześniu 2020 r. Prashanth Srinivasan oraz Christina Smolke z Uniwersytetu Stanforda opisali w „Nature” jak dotąd najbardziej złożony tego rodzaju eksperyment. Badacze przekształcili drożdże w minifabryki, zdolne do produkowania z prostych cukrów i aminokwasów dwóch leków z grupy alkaloidów tropanowych. Chodzi o hioscyjaminę i skopolaminę, które blokują aktywność acetylocholiny, ważnego neuroprzekaźnika. Są one wykorzystywane w medycynie do leczenia nudności, problemów żołądkowo-jelitowych czy zaburzeń nerwowo-mięśniowych powiązanych z chorobą Parkinsona.

Żeby zaprogramować drożdże piekarskie do syntezy hioscyjaminy i skopolaminy, naukowcy musieli zbudować w ich komórkach linię produkcyjną składającą się z aż 26 białek, które normalnie nie występują w komórkach tych organizmów. Są to enzymy metaboliczne oraz substancje transportujące, rozlokowane w różnych miejscach w obrębie komórek. Geny potrzebne do syntezy tych białek pozyskano z grzybów, bakterii, zwierząt i roślin. Kluczowym zabiegiem było rozdzielenie przestrzenne poszczególnych etapów syntezy – chodziło o zoptymalizowanie działania enzymów, których aktywność zależy m.in. od kwasowości środowiska. Lokalnie wyższe stężenie substratów sprzyja zajściu reakcji chemicznej, a dodatkowo produkty uboczne poszczególnych reakcji nie wpływają na procesy zachodzące w innych częściach komórki. Dzięki wprowadzeniu do komórek drożdży odpowiednich transporterów produkty reakcji są sprawnie kierowane do kolejnego etapu syntezy chemicznej. Przypomina to sytuację występującą w zakładach chemicznych, gdzie poszczególne reakcje mogą zachodzić w oddzielonych reaktorach – dzięki czemu łatwiej je kontrolować i optymalizować.

Obecnie produktywność minifabryk drożdżowych jest niska – mamy wciąż do czynienia z ćwiczeniem akademickim, a nie przemysłowym zastosowaniem. Z litra kultury drożdżowej otrzymywano do kilku miligramów alkaloidów tropanowych. Teraz czas na usprawnienia, możliwe właściwie na każdym z wielu etapów syntezy. Można też mieć nadzieję, że – jak to w nauce – drobne modyfikacje doprowadzą do odkrycia nowych związków aktywnych, potencjalnych leków na inne choroby. ©