Использование взаимозаменяемых биосенсоров для улучшения биосинтеза алкалоидовИспользование взаимозаменяемых биосенсоров для улучшения биосинтеза алкалоидов
Более доступные и надежные лекарственные средства, чем те, которые мы имеем сегодня, препараты, которые мы принимаем для лечения высокого давления, боли или потери памяти, однажды могут быть получены из сконструированных бактерий, выращенных в емкостях, как йогурт.
Благодаря этой новой бактериальной технологии, разработанной учеными Техасского университета, процесс усовершенствования производства медикаментов бактериальными клетками может произойти раньше, чем мы думали.
На протяжении десятилетий исследователи искали способы сделать производство лекарств более доступным и стабильным, чем нынешние процессы фармацевтических компаний, многие из которых зависят либо от растительного сырья, либо от нефти. Использование бактерий было предложено в качестве хорошей органической альтернативы, но выявление и оптимизация производства терапевтических молекул - сложная и длительная задача, требующая нескольких месяцев. В новой статье, опубликованной на прошедшей неделе в журнале Nature Chemical Biology, специалисты представляют биосенсорную систему, созданную на основе E. coli, которая может быть адаптирована для точного обнаружения всех видов терапевтических соединений всего за несколько часов.
"Мы выясняем, как наделить бактерии "органами чувств", подобно обонятельным рецепторам или рецепторам вкуса, и использовать их для обнаружения различных соединений, которые они могут производить, - говорит Эндрю Эллингтон, профессор молекулярной биологии и соавтор статьи.
Многие препараты, которые мы принимаем, сделаны из ингредиентов, извлеченных из растений (вспомните, например, морфин, наркотическое обезболивающее, которое получают из мака, или галантамин, лекарство для лечения деменции, которое получают из нарциссов). Добыча наркотических веществ из этих растений сложна и ресурсоемка, требует использования огромных количеств воды и площадей для выращивания культур. Цепочки поставок легко нарушить. Кроме того, урожай может быть поврежден наводнениями, пожарами и засухой. Получение аналогичных лечебных компонентов с помощью синтетической химии также сопряжено с проблемами, поскольку этот процесс зависит от нефти и нефтепродуктов, что влечет за собой отходы и расходы.
На помощь приходят скромные бактерии - дешевая, эффективная и экологичная альтернатива. Генетическим кодом бактерий можно легко манипулировать, превращая их в фабрики по производству лекарств. В процессе, называемом биосинтезом, биологические системы бактерий используются для производства определенных молекул в рамках естественного клеточного процесса. При этом бактерии могут реплицироваться с высокой скоростью. Все, что им нужно для работы, - это сахар.
К сожалению, до сих пор у производителей не было возможности быстро проанализировать различные штаммы модифицированных бактерий, чтобы выявить те из них, которые способны производить нужное лекарство в коммерческих объемах. Точный анализ тысяч штаммов на пути к хорошему производству может занять недели или месяцы при использовании нынешних технологий, а с новыми биосенсорами - всего один день.
"В настоящее время не существует биосенсоров для большинства растительных метаболитов", - говорит Эллингтон. "С помощью этой технологии можно будет создавать биосенсоры для широкого спектра медикаментозных препаратов".
Разработанные авторами биосенсоры быстро и точно определяют количество определенной молекулы, которую вырабатывает штамм бактерий. Команда разработала биосенсоры для нескольких типов распространенных препаратов, таких как средства для подавления кашля и вазодилататоры, которые используются для лечения мышечных спазмов. Молекулярные изображения биосенсоров, сделанные с помощью рентгеновской кристаллографии, показывают насколько прочно они удерживают искомые молекулы. Когда биосенсор обнаруживает лекарственное соединение, он светится. Кроме того, исследователи использовали биосенсоры для анализа выхода продукта, по сути, показав, как промышленность может использовать биосенсоры для быстрой оптимизации химического производства.
"Хотя это не первые биосенсоры, - отметил Эллингтон, - эта технология позволяет разрабатывать их быстрее и эффективнее. В свою очередь, это открывает путь к производству большего количества препаратов с помощью биосинтеза".
