Hacia la producción de opioides a base de levadura
WIKIMEDIA, RAINIS VENTA En 2008, un equipo dirigido por Christina Smolke de la Universidad de Stanford, entonces en Caltech, demostró en Nature Chemical Biology que la levadura modificada (Saccharomyces cerevisiae) podría producir metabolitos de alcaloides de bencilisoquinolina (BIA), incluidos los alcaloides de los que se deriva la morfina. Ahora, en un artículo publicado hoy (24 de agosto) en la misma revista, el equipo de Smolke muestra que S. cerevisiae la ingeniería para expresar enzimas adicionales puede ser persuadida para sintetizar opiáceos naturales y opiáceos semisintéticos a partir de moléculas precursoras de BIA. Los resultados representan un paso hacia la biofabricación de morfina basada en levadura modificada.
“Los autores han demostrado que es posible desarrollar una plataforma tecnológica en levadura que permita la transformación de [el alcaloide opiáceo] tebaína en una variedad de fármacos opiáceos mezclando y combinando enzimas microbianas y vegetales” el bioquímico Neil Bruce de la Universidad de York, Reino Unido, le dijo a The Scientist en un correo electrónico. “Esta es una pieza elegante de…
Smolke y sus colegas han estado trabajando para reconstruir esta vía farmacéuticamente relevante en la levadura durante casi una década. Cuando comenzamos este proyecto hace unos 10 años, estábamos interesados en las vías de los productos naturales de las plantas [y] en el desarrollo de nuevas formas de obtener estos compuestos porque las plantas son muy difíciles de diseñar, dijo Smolke. Alrededor de ese tiempo, estaba surgiendo una gran cantidad de información sobre la secuencia del genoma, [junto con] herramientas informáticas avanzadas y de biología sintética, por lo que realmente podíamos entrar y comenzar a analizar la reconstrucción de estas vías complejas en la levadura.
En total, la vía biosintética del morfinano implica más de una docena de pasos e incluso más enzimas, por lo que ha resultado difícil reconstruirla en un organismo que normalmente no produce tales metabolitos. Y al introducir genes de la adormidera (Papaver Somniferum) y la bacteria Pseudomonas putida en el genoma de la levadura, el equipo se encontró con una serie de desafíos de ingeniería. Obtener suficiente actividad de esas enzimas ha sido un desafío porque cada paso [de la vía biosintética] no es 100 por ciento eficiente, dijo Smolke.
Además, expresar estas enzimas fuera de su contexto nativo abre la posibilidad de actividad enzimática promiscua y subproductos no deseados, agregó. De hecho, en una iteración inicial, los investigadores descubrieron que más de la mitad de su producto se desviaba de la morfina, y en su lugar producía moléculas relacionadas con neopina y neomorfina.
Para sortear estos problemas, los investigadores diseñaron una estrategia para localizar y deslocalizar enzimas dentro de las células de levadura para mejorar la especificidad de la reacción y, por lo tanto, la eficiencia. Un aspecto particularmente elegante del trabajo es la compartimentación de una de las enzimas en el retículo endoplásmico para mejorar el rendimiento del producto y prevenir reacciones secundarias, escribió Bruce.
El enfoque optimizado del equipo fue capaz de producir hasta 131 miligramos de productos opioides por litro muy lejos del título requerido para la producción comercial, pero una concentración mucho más alta que la producida en un microorganismo modificado hasta la fecha.
Los aplaudo; realmente deberían seguir trabajando en esto, dijo Toni Kutchan, vicepresidente de investigación en el Centro de Ciencias de Plantas Donald Danforth en St. Louis, Missouri. Pero, agregó, los investigadores aún deben reconstruir las partes de la vía que han reconstruido en la levadura hasta la fecha.
Esta es una vía larga cuando se une todo, estuvo de acuerdo Smolke, y agregó que hay más trabajo a realizar con ese fin. Pero tiene razones para creer que un enfoque basado en levadura diseñada para la producción de morfina es susceptible de escalamiento industrial, y sugirió que la producción microbiana ofrece varios beneficios sobre el cultivo y el procesamiento agrícola. El principal de ellos, a diferencia del cultivo de amapola, la fermentación de levadura no presenta las mismas vulnerabilidades al clima cambiar o afectar su entorno circundante, convirtiéndolos en una alternativa ecológica al cultivo de amapola.
Con la tecnología de fermentación microbiana, dijo, realmente existe una oportunidad aquí para desarrollar una plataforma de fabricación más eficiente, pero también una que sea más estable, fiable y más fácil de proteger.
K. Thodey et al., Una plataforma de biofabricación microbiana para opioides naturales y semisintéticos, Nature Chemical Biology, doi:10.1038/nchembio.1613, 2014.
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