不使用罂粟制造鸦片类止痛药？

最近，斯坦福大学的生物工程学家们，对酵母的DNA进行改造，重编程这些简单细胞，通过将基本的啤酒酿造过程进行复杂地扩展，来制造阿片样药物。相关研究结果发表在2014年8月24日的《自然化学生物学》（Nature Chemical Biology）杂志。

　　

Genes from opium poppy and a bacterium were used to engineer yeast strains that biosynthesize opioids from precursors. The engineered yeast produce molecules identical to the natural and semi-synthetic opioid drugs manufactured from opium poppy crops, highlighting the potential for an alternative source of these essential drugs.

生物通报道：几个世纪以来，罂粟植物一直都被种植用以提供鸦片，从中可提取化合物吗啡以及其他重要的药物，如羟考酮。

最近，斯坦福大学的生物工程学家们，对酵母的DNA进行改造，重编程这些简单细胞，通过将基本的啤酒酿造过程进行复杂地扩展，来制造阿片样药物。

在生物工程副教授Christina Smolke的指导下，斯坦福研究小组已经花了十年的时间，对酵母细胞进行基因改良，使其复制罂粟的生化过程，最终目标是，自始至终在发酵槽中生产鸦片类药物。

相关研究结果发表在2014年8月24日的《自然化学生物学》（Nature Chemical Biology）杂志。Smolke指出：“现在我们非常接近——无需种植罂粟就能复制整个鸦片生产过程，从而使我们能够可靠地制造这种基本药物，同时减少转移到非法使用的可能性。”

在这项新研究中，Smolke和她的同事、生物工程学博士后Kate Thodey和化学博士研究生Stephanie Galanie，详述了他们如何将来自两种不同生物的5个基因，添加到酵母细胞中。其中3个基因来自罂粟本身，其他基因则来自于生活在罂粟秸秆上的一种细菌。

这种多物种基因混搭，是将酵母转换成细胞工厂所必需的，该细胞工厂可复制两个独立过程：大自然如何生产罂粟中的鸦片，而且药理学家如何使用化学过程，进一步将鸦片衍生物制成现代阿片类药物，如吗啡。

从植物到今天的药剂
植物派生的鸦片已经使用和滥用了好几个世纪，但是现代故事开始的一个好地方是，第二次世界大战期间使用吗啡。吗啡是三大主要鸦片来源的止痛药之一，被称为阿片类药物。另外两种重要的阿片类药物有可可待因（用作止咳药）和蒂巴因（进一步通过化学过程提炼，产生更高价值的药物，如羟考酮和氢可酮）。

今天，合法化罂粟种植只限制在几个国家，包括澳大利亚、法国、匈牙利、印度、西班牙和土耳其，通过国际麻醉品管制局监督，旨在阻止阿片类药物（如吗啡）被提炼成非法海洛因。

合法鸦片及其阿片衍生品的最大市场在美国，那里制药厂使用化学过程来制造精制产品，用作止痛丸。然而，罂粟在美国并不能大量种植，因此这种重要药物的供给，就存在国际依赖性和漏洞。

把酵母变成制药厂
十年来，Smolke工作一直都包括整个生产链，从罂粟田间种植，到通过所有化学精炼的后续步骤利用生物工程酵母细胞。

Smolke研究小组现在所做的是，仔细重编程这些酵母基因组——告诉每个生物如何存活的主要指令集，使其在制造鸦片制剂时表现得像罂粟一样。

这个过程不仅仅是往酵母中添加新的基因。阿片类分子是复杂的三维物体。在自然界中，它们是在罂粟内特定区域制造的。由于酵母细胞没有这些复杂的结构和组织，斯坦福研究小组在其生物工程酵母内部，重新制造了罂粟样“chemical neighborhoods”的同等物。

这大约需要17个单独的化学步骤，来制造适用于药丸的阿片类化合物。其中一些步骤自然发生在罂粟中，其余的步骤则通过工厂中的化学合成过程。Smolke研究小组希望所有的步骤都能发生在酵母内部，在一个单一的发酵槽内，包括使用酵母来执行罂粟从未进化出的化学过程，例如将阿片类蒂巴因精炼为更有价值的半合成阿片类羟考酮。

所以，Smolke重编程她的生物工程酵母，来执行这些最终的工业步骤。为此她将来自于罂粟死秸秆上生长的一种细菌的基因，添加到酵母中。因为他们想生产几种不同的阿片类药物，研究小组用几种稍微不同的方式，设计酵母基因组生产每种不同的阿片类药物制剂，例如羟考酮和氢可酮。

所有这一切在新论文中都有展示。但是Smolke的研究小组仍然必须清除一个更大的障碍，才能实现这个目标——把糖放入一个不锈钢的生物工程酵母槽内，在过程结束时挑选出特定的阿片类药物。

在这篇新论文中，Smolke从罂粟中获得的蒂巴因开始，将其放入她的生物工程酵母中，在过程结束时得到了精炼的阿片类药物。

Smolke说，可能还需要几年的时间，来完善这些最后的步骤，将这个过程按比例放大，以大批量地生产生物工程阿片类药物（与今天在药厂提炼的相同）。

Smolke说：“这将使我们能够以一种不依赖于作物产量好坏的方式，来可靠地生产这些基本药物。我们会有更可持续的、划算的和安全的生产方法，来生产这些重要的药物。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
A microbial biomanufacturing platform for natural and semisynthetic opioids
Abstract: Opiates and related molecules are medically essential, but their production via field cultivation of opium poppy Papaver somniferum leads to supply inefficiencies and insecurity. As an alternative production strategy, we developed baker's yeast Saccharomyces cerevisiae as a microbial host for the transformation of opiates. Yeast strains engineered to express heterologous genes from P. somniferum and bacterium Pseudomonas putida M10 convert thebaine to codeine, morphine, hydromorphone, hydrocodone and oxycodone. We discovered a new biosynthetic branch to neopine and neomorphine, which diverted pathway flux from morphine and other target products. We optimized strain titer and specificity by titrating gene copy number, enhancing cosubstrate supply, applying a spatial engineering strategy and performing high-density fermentation, which resulted in total opioid titers up to 131 mg/l. This work is an important step toward total biosynthesis of valuable benzylisoquinoline alkaloid drug molecules and demonstrates the potential for developing a sustainable and secure yeast biomanufacturing platform for opioids.