I fan della birra artigianale e delle distillerie del cortile sanno già come impiegare il lievito per convertire lo zucchero in alcol.
Ora, i bioingegneri sono andati molto oltre completando le fasi chiave necessarie per trasformare il lievito alimentato con zucchero in una fabbrica microbica per produrre morfina e potenzialmente altri farmaci, inclusi antibiotici e terapie anti-cancro.
Negli ultimi dieci anni, una manciata di laboratori di biologia sintetica ha lavorato per replicare nei microbi un complesso percorso chimico in 15 fasi nella pianta del papavero per consentire la produzione di farmaci terapeutici.
I team di ricerca hanno ricreato in modo indipendente diverse sezioni del percorso farmacologico del papavero usando E. coli o lievito, ma quello che fino ad ora era mancato erano i passaggi finali che avrebbero consentito a un singolo organismo di eseguire l'operazione dall'inizio alla fine.
Una sfida fattibile
Un nuovo studio pubblicato online sulla rivista Biologia chimica della natura mostra come i ricercatori hanno superato questo ostacolo replicando i primi passi nel percorso in un ceppo ingegnerizzato di lievito. Erano in grado di sintetizzare reticolina, un composto in papavero, dalla tirosina, un derivato del glucosio.
"Quello che vuoi veramente fare da un punto di vista della fermentazione è essere in grado di alimentare il glucosio del lievito, che è una fonte di zucchero a basso costo, e fare in modo che i lieviti facciano tutti i passaggi chimici necessari a fare il tuo farmaco terapeutico target", dice John Dueber , il ricercatore principale dello studio e un assistente professore di bioingegneria all'Università della California, a Berkeley.
"Con il nostro studio, tutti i passaggi sono stati descritti, ed è ora una questione di collegarli insieme e aumentare il processo. Non è una sfida banale, ma è fattibile. "
Via dei papaveri
Le qualità che rendono il percorso della pianta del papavero così impegnativo sono le stesse che lo rendono un bersaglio così attraente per la ricerca.
È complesso, ma è la base su cui i ricercatori possono costruire nuove terapie. Gli alcaloidi benzilisochinolina, o BIA, sono la classe dei composti altamente bioattivi trovati nel papavero e quella famiglia include alcune molecole 2,500 isolate dalle piante.
Forse il sentiero più conosciuto nel percorso della BIA è quello che porta agli oppiacei, come la codeina, la morfina e la tebaina, un precursore dell'ossicodone e dell'idrocodone. Tutte sono sostanze controllate. Ma diversi percorsi porteranno alla papaverina antispasmodica o al precursore antibiotico diidrosanguinarico.
"Le piante hanno cicli di crescita lenti, quindi è difficile esplorare a fondo tutte le possibili sostanze chimiche che possono essere prodotte dal percorso BIA attraverso l'ingegneria genetica del papavero", dice l'autore principale William DeLoache, uno studente di dottorato in bioingegneria. "Spostare il percorso della BIA verso i microbi riduce drasticamente il costo della scoperta dei farmaci. Possiamo facilmente manipolare e sintonizzare il DNA del lievito e testare rapidamente i risultati. "
Riproponendo un enzima derivato dalle barbabietole che viene naturalmente utilizzato nella produzione dei loro pigmenti vibranti, i ricercatori potrebbero convincere il lievito a convertire la tirosina, un aminoacido facilmente derivato dal glucosio, in dopamina.
Bandiera rossa per i regolatori
Con l'aiuto del laboratorio di Vincent Martin, professore di genomica microbica e ingegneria presso la Concordia University, i ricercatori sono stati in grado di ricostituire la via dei sette enzimi completa dalla tirosina alla reticulina nel lievito.
"Arrivare alla reticolina è fondamentale perché da lì, i passaggi molecolari che producono codeina e morfina da reticolina sono già stati descritti nel lievito", dice Martin. "Inoltre, reticolina è un hub molecolare nel percorso BIA. Da lì, possiamo esplorare molti percorsi diversi ad altri potenziali farmaci, non solo agli oppiacei ".
La scoperta accelera drammaticamente il tempo in cui i farmaci per l'homebrewing potrebbero diventare una realtà, affermano i ricercatori, avvertendo che i legislatori e le forze dell'ordine dovrebbero prestare attenzione.
"Probabilmente stiamo osservando una cronologia di un paio di anni, non un decennio o più, quando il lievito alimentato con zucchero potrebbe produrre in modo affidabile una sostanza controllata", afferma Dueber. "Il momento è ora di pensare alle politiche per affrontare quest'area di ricerca. Il campo si sta muovendo sorprendentemente velocemente, e abbiamo bisogno di stare davanti in modo che possiamo mitigare il potenziale di abuso ".
In un commento pubblicato in Natura e a tempo con la pubblicazione del nuovo studio, gli analisti politici richiedono una regolamentazione urgente di questa nuova tecnologia. Sottolineano i numerosi vantaggi di questo lavoro, ma sottolineano anche che "gli individui con accesso al ceppo di lievito e le abilità di base nella fermentazione sarebbero in grado di far crescere il lievito usando l'equivalente di un kit di homebrew".
Raccomandano di limitare i ceppi di lievito artificiale a strutture autorizzate e ai ricercatori autorizzati, osservando che sarebbe difficile individuare e controllare il trasporto illecito di tali ceppi.
Sebbene tali controlli possano essere d'aiuto, Dueber dice: "Un altro motivo di preoccupazione è che una volta che la conoscenza di come creare un ceppo che produce oppiacei è là fuori, chiunque sia formato in biologia molecolare di base potrebbe teoricamente costruirlo".
Un altro obiettivo per la regolamentazione sarebbero le società che sintetizzano e vendono sequenze di DNA. "Esistono già delle restrizioni per le sequenze legate agli organismi patogeni, come il vaiolo", afferma DeLoache. "Ma forse è ora che guardiamo anche alle sequenze per produrre sostanze controllate."
