Fläktar av homebrewed öl och bakgård destillerier vet redan hur man använder jäst för att omvandla socker till alkohol.
Nu har bioengineers gått mycket längre genom att slutföra viktiga steg som behövs för att göra sockermatad jäst till en mikrobiell fabrik för att producera morfin och eventuellt andra droger, inklusive antibiotika och cancer mot cancer.
Under det senaste decenniet har en handfull syntetbiologiska laboratorier arbetat för att replikera en komplex kemisk väg i 15 steg i vallmofabriken i mikrober för att tillåta produktion av terapeutiska läkemedel.
Forskningsgrupper har självständigt återskapat olika delar av vallmoens läkemedelsväg med E.coli eller jäst, men det som hittills saknades var de sista stegen som skulle göra det möjligt för en enda organism att utföra uppgiften från början till slut.
En genomförbar utmaning
En ny studie publicerad online i tidskriften Natur Kemisk Biologi visar hur forskare har överträffat den hindren genom att kopiera de tidiga stegen i vägen i en konstruerad jäststam. De kunde syntetisera retikulin, en förening i vallmo, från tyrosin, ett derivat av glukos.
"Vad du verkligen vill göra från ett jäsningsperspektiv är att kunna ge jästglukos, vilket är en billig sockerkälla, och att jästen gör alla de kemiska stegen som krävs nedströms för att göra ditt mål terapeutiska läkemedel", säger John Dueber , studiens huvudutredare och biträdande professor i bioengineering vid University of California, Berkeley.
"Med vår studie har alla steg beskrivits, och det handlar nu om att knyta samman dem och skala upp processen. Det är inte en trivial utmaning, men det är genomförbart. "
Vallmor vägen
De kvaliteter som gör vallmo växtvägen så utmanande är samma som gör det så attraktivt mål för forskning.
Det är komplext, men det ligger till grund för vilka forskare kan bygga nya terapier. Benzylisokinolinalkaloider, eller BIA, är klassen av högt bioaktiva föreningar som finns i vallmo, och den familjen innehåller några 2,500-molekyler isolerade från växter.
Kanske är det mest kända spåret i BIA-vägen det som leder till opiater, såsom codein, morfin och thebaine, en föregångare till oxikodon och hydrokodon. Alla är kontrollerade ämnen. Men olika spår leder till antispasmodisk papaverin eller till antibiotikumprekursorn dihydrosanguinarine.
"Växter har långa tillväxtcykler, så det är svårt att helt utforska alla möjliga kemikalier som kan göras från BIA-vägen genom att genetiskt manipulera vallmo," säger lead författare William DeLoache, doktorand i bioengineering. "Att flytta BIA-vägen till mikrober minskar dramatiskt kostnaden för läkemedelsupptäckt. Vi kan enkelt manipulera och ställa in jästens DNA och snabbt testa resultaten. "
Genom att repurposing ett enzym från betor som naturligt används vid framställning av deras pulserande pigment kan forskare koaxera jäst för att omvandla tyrosin, en aminosyra som lätt härrör från glukos, till dopamin.
Röd flagga för regulatorer
Med hjälp av labbet av Vincent Martin, professor i mikrobiell genomik och teknik vid Concordia University, kunde forskare rekonstruera hela sju-enzymvägen från tyrosin till retikulin i jäst.
"Att komma till retikulin är kritiskt, för därifrån har de molekylära stegen som producerar kodin och morfin från retikulin redan beskrivits i jäst, säger Martin. "Retikulin är också ett molekylärt hub i BIA-vägen. Därifrån kan vi utforska många olika vägar till andra potentiella droger, inte bara opiater. "
Upptäckten drar dramatiskt upp klockan för när homebrewing-läkemedel kan bli verklighet, säger forskare och varnar för att tillsynsmyndigheter och brottsbekämpande tjänstemän bör vara uppmärksamma.
"Vi ser sannolikt på en tidslinje om några år, inte ett årtionde eller mer, när sockerfoderjäst på ett tillförlitligt sätt kan producera ett kontrollerat ämne", säger Dueber. "Det är dags att tänka på politik för att ta itu med detta forskningsområde. Fältet rör sig överraskande snabbt, och vi måste vara ute framför så att vi kan mildra potentialen för missbruk. "
I en kommentar publicerad i Natur och i takt med att den nya studien publicerades, kräver politiska analytiker att man snabbt behöver reglera denna nya teknik. De lyfter fram de många fördelarna med detta arbete, men de påpekar också att "individer med tillgång till jäststam och grundläggande färdigheter i jäsning skulle kunna odla jästen med hjälp av ett homebrew-kit."
De rekommenderar att man begränser konstruerade jäststammar till licensierade anläggningar och till auktoriserade forskare och noterar att det skulle vara svårt att upptäcka och kontrollera olaglig transport av sådana stammar.
Medan sådana kontroller kan hjälpa, säger Dueber "En ytterligare oro är att när kunskapen om hur man skapar en opiatproducerande stam är ute, kan alla som är utbildade i grundmolekylärbiologi teoretiskt bygga den."
Ett annat mål för reglering är de företag som syntetiserar och säljer DNA-sekvenser. "Det finns redan restriktioner för sekvenser kopplade till patogena organismer, som smittkoppor", säger DeLoache. "Men det är kanske dags att vi också tittar på sekvenser för att producera kontrollerade ämnen."
