Produkcja leków ziołowych na skalę przemysłową stanowi wyzwanie. Jednak zespołowi bioinżynierów z Uniwersytetu w Kobe udało się zmodyfikować maszynerię komórkową konkretnych drożdży gatunekumożliwiając wytwarzanie w fermentorze związku leczniczego w rekordowych stężeniach.
Ten przełom nie tylko umożliwia produkcję tej cząsteczki na dużą skalę, ale także otwiera drzwi do mikrobiologicznej produkcji innych związków pochodzenia roślinnego.
Bioinżynieryjne związki lecznicze
Leki ziołowe oferują wiele korzyści zdrowotnych, jednak często trudno jest je wyprodukować na dużą skalę. Dobrym przykładem jest artepillina C – związek o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych, przeciwzapalnych, przeciwutleniających i przeciwnowotworowych – która jest obecnie dostępna wyłącznie jako produkt pochodzenia pszczelego. Bioinżynier z Uniwersytetu w Kobe, Tomohisa Hasunuma, wyjaśnia: „Aby uzyskać wysokowydajne i tanie dostawy, pożądane jest wytwarzanie go w bioinżynieryjnych mikroorganizmach, które można hodować w fermentorach”. Jednakże podejście to stwarza wyzwania techniczne.
Wyzwania w produkcji mikrobiologicznej
Po pierwsze, naukowcy muszą zidentyfikować enzym, czyli maszynerię molekularną, której rośliny używają do produkcji docelowego związku. „Enzym roślinny kluczowy do produkcji artepilliny C został niedawno odkryty przez Kazufumi Yazaki na Uniwersytecie w Kioto” – zauważa Hasunuma. „Zapytał nas, czy możemy go użyć do wytworzenia związku w mikroorganizmach ze względu na nasze doświadczenie w produkcji drobnoustrojów”. Następnie zespół pracował nad wprowadzeniem genu odpowiedzialnego za ten enzym do drożdży Komagataella phaffii. W porównaniu do drożdży piwnych, K. phaffii lepiej nadaje się do produkcji substancji chemicznych tej klasy, obsługuje większą gęstość komórek i nie wytwarza alkoholu, który może ograniczać wzrost komórek.
Osiągnięcia w produkcji Artepilliny C
W dzienniku Biologia syntetyczna ACSobecnie podają, że ich bioinżynieryjne drożdże wyprodukowały dziesięć razy więcej artepilliny C niż można było osiągnąć wcześniej. Dokonali tego wyczynu, starannie dostosowując kluczowe etapy molekularnej linii produkcyjnej artepilliny C. Hasunuma dodaje: „Kolejnym interesującym aspektem jest to, że artepillina C nie jest łatwo wydalana do pożywki wzrostowej i ma tendencję do gromadzenia się wewnątrz komórki. Dlatego konieczne było hodowanie komórek drożdży w naszych fermentorach do dużej gęstości, co osiągnęliśmy poprzez usunięcie niektórych mutacji wprowadzonych ze względów technicznych, ale utrudniających gęsty wzrost organizmu.
Perspektywy na przyszłość i szersze implikacje
Bioinżynier z Uniwersytetu w Kobe ma już pomysły, jak jeszcze bardziej ulepszyć produkcję. Jednym z podejść będzie dalsze podniesienie wydajności końcowego i krytycznego etapu chemicznego poprzez modyfikację odpowiedzialnego enzymu lub zwiększenie puli prekursorów chemicznych. Innym podejściem może być znalezienie sposobu na transport artepilliny C z komórki. „Jeśli uda nam się zmodyfikować transporter, strukturę molekularną, która transportuje substancje chemiczne do i z komórek, tak aby eksportowała produkt do pożywki, zatrzymując prekursory w komórce, moglibyśmy osiągnąć jeszcze wyższą wydajność” – mówi Hasunuma.
Implikacje tego badania wykraczają jednak poza produkcję tego konkretnego związku. Hasunuma wyjaśnia: „Ponieważ w naturze istnieją tysiące związków o bardzo podobnej strukturze chemicznej, istnieje bardzo realna możliwość, że wiedzę zdobytą podczas produkcji artepilliny C można zastosować do mikrobiologicznej produkcji innych związków pochodzenia roślinnego”.
Odniesienie: „Produkcja bioaktywnej fenylopropanoidowej artepilliny C de novo przy użyciu związanej z błoną prenylotransferazy u Komagataella phaffii” 12 listopada 2024 r., Biologia syntetyczna ACS.
DOI: 10.1021/acssynbio.4c00472
Badania te zostały sfinansowane przez Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki (grant 23H04967), Klaster RIKEN na rzecz Nauki, Technologii i Innowacji Hub oraz Japońską Agencję Nauki i Technologii (grant JPMJGX23B4). Przeprowadzono je we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu w Kioto i Centrum Nauki o Zrównoważonych Zasobach RIKEN.
