Генные инженеры заставили дрожжи синтезировать лекарство от кашля и рака
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.
Дарья Спасская
Бактерии научились инактививровать антибактериальную ДНК-гиразу
Немецкие ученые выяснили, что супербактерии, сохранявшие чувствительность к экспериментальному антибиотику альбицидину, защитились от него с помощью амплификации гена STM3175. Этот ген отвечает за регуляцию транскрипции малых молекул с доменом связывания, подобным ингибитору ДНК-гиразы — основы антибиотика альбицидина. Такое увеличение копии гена приводит к тысячекратному повышению уровня резистентности к препарату. Исследование опубликовано в PLoS Biology. В 2019 году почти пять миллионов человек погибло из-за бактерий, устойчивых к большинству известных антибиотиков, — супербактерий. По оценкам ученых к 2050 году это число увеличится в два раза. Основной причиной развития резистентности к противомикробным препаратам признано нерациональное их использование в медицине, ветеринарии и зоотехнии в сочетании с недостаточным пониманием механизмов бактериальной резистентности. Однако влияют и другие факторы: например, загрязнение атмосферы. Ученые постоянно ищут новые молекулы, которые были бы активны против супербактерий. Таким многообещающим соединением стал альбицидин — фитотоксичная молекула, вырабатываемая бактерией Xanthomonas albilineans, в исследованиях была эффективна против целого ряда супербактерий. Альбицидин ингибирует активность бактериальной ДНК-гиразы (топоизомеразы II) и эффективно действует на ковалентный комплекс ДНК и гиразы в крайне низких концентрациях. В нескольких исследованиях уже сообщалось о развитии резистентности к этой молекуле у некоторых бактерий, однако ее механизмы оставались не до конца выясненными. Команда ученых под руководством Маркуса Фульда (Marcus Fulde) из Свободного университета Берлина изучала механизмы резистентности к альбицидину, которая развилась у Salmonella typhimurium и Escherichia coli. Для этого они подвергали бактерии воздействию высоких концентраций более стабильного аналога антибиотика и наблюдали за ростом колоний в течение 24 часов. Из 90 протестированных клонов 14 показали рост в этих условиях. Секвенирование генома этих штаммов показало, что большинство (девять штаммов) несет мутации в гене tsx, ответственном за экспрессию нуклеозидспецифичного порина, что в 16 раз увеличивало минимальную ингибирующую концентрацию (MIC) антибиотика. Один из оставшихся пяти резистентных штаммов с интактным геном tsx демонстрировал более чем стократное повышение MIC, и анализ данных секвенирования его ДНК выявил амплификацию гена, приводящую к образованию 3-4 копий геномной области без однонуклеотидных полиморфизмов. При дополнительном анализе этого штамма ученые выяснили, что перекрывающаяся амплифицированная область содержит ген STM3175, который транскрибируется полицистронно в структуре оперона и N-концевой части qseB. Более тщательное изучение аминокислотной последовательности показало, что STM3175 состоит из 2 доменов: N-концевого AraC-подобного ДНК-связывающего домена и C-концевого GyrI-подобного лиганд-связывающего домена. Ученые обнаружили, что такая структура позволяет STM3175 связывать альбицидин с высокой аффинностью и инактивировать его. У разных бактерий обнаружились гомологи этого гена с теми же функциями, при этом на эффект других антибактериальных препаратов они не влияли. Знание нового механизма развития устойчивости к альбицидину позволит ученым разрабатывать новые способы модификации молекулы, чтобы обойти этот механизм. Ранее ученые обнаружили антибактериальную молекулу с широким спектром действия, которая не вызвала резистентности у микроорганизмов.