The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability
Датские ученые внедрили пекарским дрожжам (Saccharomyces cerevisiae)гены ферментов, которые обеспечивают синтез псилоцибина, сообщается в Metabolic Engineering. Гены оказались функциональными в новом организме и помогли произвести нужный алкалоид. При этом модифицированным дрожжам не потребовалось добавлять в питательную среду промежуточные продукты его синтеза, такие как 4-гидроксииндол.
Псилоцибин — алкалоид грибов рода Psilocybe и некоторых других. Поскольку он обладает галлюциногенным эффектом, во многих странах его запрещено употреблять. Однако в последние годы у псилоцибина обнаружили сильные антидепрессивные свойства. Также он снизил тревожность у больных раком и не вызвал серьезных побочных эффектов. В настоящий момент в серии клинических испытаний оценивают его способность снижать тягу к алкоголю.
Если вещество окажется эффективным и безопасным, его статус могут пересмотреть и начать с его помощью лечить описанные состояния. Тогда понадобится получать его в достаточно больших количествах. Извлекать псилоцибин из Psilocybe весьма затратно: его масса составляет 0,2–1 процента от общей сухой массы гриба. Поэтому имеет смысл «научить» другие организмы производить это вещество в больших количествах. Лучше выбирать такие, которые уже используются в биотехнологии.
Для этого модельным организмам нужно уметь синтезировать ферменты, которые обеспечивают синтез псилоцибина из предшественников. Это многоступенчатый процесс — для каждой реакции необходим свой фермент, а он или его ген могут не работать вне клеток грибов. Проблема такого рода возникла, когда псилоцибин «учили» делать кишечную палочку (Escherichia coli). Тогда оказалось, что грибной катализатор одной из важнейших реакций в цепочке — присоединения гидроксильной группы к четвертому атому углерода индольного кольца — не функционирует. Поэтому в питательную среду бактериям приходилось добавлять готовый 4-гидроксииндол.
Сотрудники Датского технического университета во главе с Ириной Бородиной (Irina Borodina) внедрили гены ферментов, необходимых для синтеза псилоцибина из глюкозы, в более близкий Psilocybe организм — пекарские дрожжи. Это тоже гриб. Все нужные гены за единственным исключением были получены от Psilocybe cubensis. В их числе был ген фермента, катализирующего гидроксилирование индольного кольца.
Дрожжи смогли синтезировать все необходимые ферменты и, следовательно, псилоцибин. В отличие от E. coli, в питательную среду дрожжам не нужно было добавлять необычные вещества: сырьем для производства алкалоида служила глюкоза. Максимальный выход псилоцибина составил 627 миллиграммов на литр культуры дрожжей. Также грибы производили продукт распада псилоцибина — псилоцин — в концентрации до 580 миллиграмов на литр. Помимо этого оказалось, что модифицированные дрожжи производят и другие триптамины, в частности, беоцистин, норбеоцистин и эругинасцин. При этом, что достаточно важно, в культуре дрожжей не накапливался этанол.
Это не первый случай, когда псилоцибин синтезируется другими грибами, которые в норме не способны это делать. Ранее исследователи из Йенского университета (Германия) добились экспрессии генов, которые обеспечивают образование соответствующего алкалоида у аспергилла гнездового (Aspergillus nidulans). Хотя этот гриб широко распространен, методики культивации дрожжей лучше проработаны, так что добывать этот алкалоид из S. cerevisiae должно быть выгоднее.
Работа интересна еще и тем, что это пример эксплуатации «конструктора ферментов» в синтетической биологии. Если подобрать нужную комбинацию биологических катализаторов и внедрить их в клетки какого-нибудь модельного организма, можно в теории получать не только уже известные вещества, но и такие, которые не встречаются в природе. Учитывая, как много существует производных индола и насколько разнообразные функции они выполняют, сборка систем для их синтеза будет полезна не только в психофармакологии, но и для производства лекарств другого профиля, а также для агрономии, парфюмерии и многих других отраслей.
Пекарские дрожжи — классический объект биотехнологии. Число веществ, которые научились синтезировать с их помощью, огромно. Среди них — морфин, различные каннабиноиды, носкапин (алкалоид, помогающий при кашле и, вероятно раке), гераниол и линалоол(придают пиву характерный вкус и запах).
Светлана Ястребова
