Автор: Hydra Moderator

Биоинженеры Стэнфордского университета нашли способ изготовления нозапина, ненаркотического средства от кашля, которое встречается в природе в опиумных маках, в пивных дрожжах.

Исследователи вставили 25 чужеродных генов в одноклеточный гриб, чтобы превратить его в эффективную фабрику по производству препарата. Многие из вставленных генов происходили из мака, но некоторые из других растений и даже от крыс. Все эти гены были рецептами для ферментов: белковые машины, которые, работая вместе, могут создавать сложные вещества из простых исходных материалов.

Исследователи также модифицировали некоторые из генов растений, крыс и дрожжей, а также среду, в которой размножаются дрожжи, чтобы помочь всем лучше работать вместе. Результатом стало увеличение выхода нозкапина в 18 000 раз по сравнению с тем, что можно было получить, просто вставив гены растений и крыс в дрожжи.

«Это технология, которая изменит способ производства основных лекарств», — сказала Кристина Смольке, доктор биологических наук, профессор биоинженерии.

По ее словам, для повышения коммерческой жизнеспособности потребуется дополнительное стократное улучшение, но многое из этого может быть достигнуто путем замены крупногабаритных биореакторов на простые лабораторные колбы.

Документ с описанием исследования будет опубликован в сети 2 апреля в трудах Национальной академии наук. Смольке — старший автор Янран Ли, доктор философии, бывший доктор наук, ныне доцент кафедры химической и экологической инженерии в Калифорнийском университете в Ирвине и доктор наук Сиджин Ли, доктор философии, разделяют ведущую роль автора.

Обещают как лекарство от рака

Способность Носкапина подавлять кашель была обнаружена в 1930 году. С 1960-х годов этот препарат широко применяется в качестве лекарства от кашля в Азии, Европе и Южной Америке, а также в Канаде, Австралии и Южной Африке. Доклинические испытания показывают потенциал для носкапина в качестве лекарственного средства от рака с меньшей токсичностью для здоровых клеток, чем доступные в настоящее время химиотерапии.

Но единственным жизнеспособным источником носкапина являются опийные маки. Многие тонны носкапина ежегодно извлекаются из растения, на созревание которого уходит целый год. Хотя сам носкапин безвреден, незаконный потенциал маков требует дорогостоящих мер контроля и строгих правил. Растения могут быть законно выращены только в концентрированном географическом районе. Половина всех маков, производимых для носкапина, приходится на Австралию, а остальные в основном на Индию, Францию, Турцию и Венгрию, что обусловливает глобальное производство носкапина местными экологическими явлениями и различными условиями почвы и питательных веществ. Кроме того, встречающийся в природе носкапин должен быть тщательно отделен от многочисленных молекулярных компаньонов, наркотических и других, которые не встречаются в дрожжах.

Биологическая инженерия дрожжей Смолке может извергать существенные количества носкапина за три или четыре дня. Исследователи достигли этого результата путем сшивания трех отдельных участков пути биосинтеза носкапина в один штамм дрожжей.

Изначально выпуск носкапина был скудным, сказал Смолке. «Традиционно мы получали наши лекарства из природного мира, в основном от растений. Но молекулярные линии сборки растений развивались, чтобы оптимизировать выживание растений, а не производить целое ведро с одним веществом, которое мы, люди, хотим получить в свои руки». ,» она сказала. «Кроме того, мы помещаем их в наш штамм дрожжей, который является чужеродным газоном. У дрожжевой клетки и маковой клетки много общего, но в некоторых отношениях они такие же разные, как Земля и Марс».

Каждый фермент катализирует свой собственный ограниченный набор химических реакций. Таким образом, для синтеза сложных химических веществ требуется целая линия сборки различных ферментов, работающих совместно друг с другом, в идеале, когда каждый фермент в производственной цепочке генерирует ровно столько же своего промежуточного продукта, чтобы следующий занят. Как и в случае с заводской конвейерной лентой, слишком малая активность или чрезмерная нагрузка в любой точке могут привести к заеданию линии. Ферменты также нуждаются в источниках энергии, а некоторые из них нуждаются в помощи дополнительных молекул, которые могут присутствовать в организме, из которого они происходят, но не обязательно в дрожжевой клетке.

Солдаты на Марсе

«Это как если бы мы захватили пару десятков солдат из разных подразделений, развернули их на Марсе и сказали каждому из них:« Теперь я не только отправляю вас на Марс, но я хочу, чтобы вы сделали здесь серьезную работу и я хочу, чтобы вы работали с этими другими солдатами, с которыми вы раньше не работали — многие из них совершенно незнакомы », — сказал Смолке. «Удачи в этом. Мы изменили их, чтобы поддерживать их форму на этой планете и лучше ладить друг с другом, и мы подтолкнули дрожжи, чтобы помочь этим энзимам получить ресурсы, необходимые для выполнения работы».

Это, в частности, повлекло за собой соединение генов крыс, которые управляют продукцией дофамина, ключевого промежуточного звена в синтезе носкапина. Производство дофамина в растениях плохо изучено, но из-за важности дофамина как важнейшего химического вещества в нервной системе животных, ферментов, ответственных за его производство у млекопитающих.

Ученые использовали CRISPR, инструмент для редактирования генов, чтобы изменить вставленные гены так, чтобы ферменты, для которых они кодировали, работали наиболее эффективно в условиях экзотической кислотности, осмотического характера и химического состава их нового дома. Они также ускорили производство дрожжами химического вещества, уровни которого в противном случае были бы слишком низкими, чтобы поддерживать устойчивое производство носкапина.

«Мы больше не ограничены тем, что может сделать природа», — сказал Смолке. «Мы приближаемся к эпохе, когда мы можем заимствовать природные процессы производства лекарств и, используя генную инженерию, строить миниатюрные живые фабрики, которые будут производить то, что мы хотим».

Управление технологического лицензирования Стэнфорда имеет находящиеся на рассмотрении патенты на интеллектуальную собственность, связанные с результатами этого исследования.

Antheia Inc., биотехнологическая компания, базирующаяся в Менло-Парке, штат Калифорния, которую Смолк соучредила в 2015 году, лицензировала технологию из Стэнфорда и сейчас работает над коммерциализацией производства нозкапина в дрожжах. Смольке — главный исполнительный директор Antheia.

Исследования исследовательского центра им. Эйсея Бунько при университете Кумамото показывают, что Тадатоши Хосокава, владыка Кюсю, 17-го века, приказал своим людям производить не только вино, но и опиум для медицинских целей.

Виноделие встречается в японских торговых документах, дневниках, каталогах и других текстах 15 и 16 веков. Христианские миссионеры и торговые торговцы доставляли вино в Японию из Западной Европы, и оно продолжало оставаться предметом роскоши более столетия. Считалось, что крупное японское пивоварение началось в 1870-х годах. Однако, как сообщалось в 2016 году исследовательским центром Eisei Bunko при университете Кумамото, вино, произведенное семьей Хосокава в регионе Кокура, было начато более чем 200 годами ранее в 1627 году. Исследователи также показали, что лорд Хосокава приказал своему сеньору Тароэмону Уэда сделать вина из дикого винограда и отправьте его в Эдо, прежнее название столицы Японии.

Детальное расследование, проведенное исследовательским центром им. Эйсея Бунко, недавно выяснило, что вино производилось только с 1627 по 1630 годы, и что лорд Хосокава приказал отправлять вино в Эдо на каждый из этих четырех лет. За это время винодел Тароемон получил звание вассала за успешные методы изготовления вина и лекарственных саке. Исследователи обнаружили, что в процессе виноделия в дополнение к дикому винограду использовались черные соевые бобы. Черные соевые бобы способствуют ферментации, и считается, что добавление черных соевых дрожжей помогло сбраживать дикий виноград, который имеет относительно низкое содержание сахара. В сущности, вино лорда Хосокавы было сделано путем ферментации дикого винограда, а не путем простого замачивания дикого винограда в спирте.

Удивительно, но исследователи обнаружили, что семья Хосокава также производила опий в 1629 году. Считается, что импортированный из Нагасаки опий использовался в медицинских целях, таких как седация, анальгезия, подавление кашля и гипноз. Винодел Taroemon стал ответственным за производство опия, которое началось весной и произвело около 1,27 кг опия к осени. Описание импорта опия было найдено в историческом отчете предыдущего года (1628 г.), как и записка лорда Хосокавы, в которой говорилось: «Я недоволен заказанным опиумом (из Нагасаки), поэтому он должен быть возвращен». Можно сделать вывод, что Господь Хосокава желал получить товар более высокого качества.

Доказательства импорта вина в регион Кокура старше, чем описание импорта опия. В 1623 году в письме, написанном лордом Хосокавой, было сказано о покупке сладкого вина у Нагасаки. Два года спустя, в 1625 году, он снова заказал покупку сладкого вина. В 1631 году, после того, как период виноделия в семье Хосокава, по-видимому, закончился, появились дальнейшие инструкции о закупке 3,6 литра хорошего вина для лечебных целей, причем импорт продолжался до 1639 года.

В 1638 году больной лорд Хосокава вступил в восстание Симабара (восстание в основном католиков, которое привело к запрету христианства) на стороне центрального правительства. Он приказал отправить вино в Кумамото, который стал его территорией в 1632 году, для медицинского использования на поле битвы. В том же году другой региональный лорд, имеющий близость к вину, попросил немного через сына лорда Хосокавы. Лорд Хосокава ответил: «Я связался с Нагасаки, но поскольку известно, что вино использовалось при обращении в христианство, купцы прекратили торговать им, чтобы избежать подозрений, что они могут быть христианами». Затем Господь Хосокава отправил вино, которое уже было в его распоряжении. Из этих стенограмм исследователи обнаружили, что и лорды, и торговцы признали, что вино стало запрещенным христианским напитком.

В следующем году лорд Хосокава, похоже, сделал последний приказ отправить вино в Эдо. После того, как он обратился к торговцу из Нагасаки, документы от семьи Хосокавы, касающиеся вина, не были найдены. Для больного лорда Хосокавы предполагается, что вино имело огромную лекарственную ценность, но как лорд, известный своей лояльностью центральному правительству, он не мог продолжать производить или импортировать запрещенную христианскую поэзию. Его страдания очевидны в документах этого периода.

Эти исторические тексты показывают, что у Тароемона и его компании были инновационные технологии для производства западной еды и западных часов, и что лорд Хосокава, который продвинул его на важную должность, очень интересовался такими предметами и технологиями. После подавления восстания Шимабара центральное правительство запретило вход в порт с португальских кораблей, устранило христианство и ограничило торговлю с Западной Европой только Нидерландами, которые обещали не распространять христианство в Японии. Это положило начало японскому изоляционизму.

Исследование, проведенное здесь исследовательским центром Eisei Bunko Университета Кумамото, ясно показывает, что у лорда Хосокавы была страсть к импорту и производству вина в течение двадцати лет до изоляции Японии.

С яркими красными и желтыми цветами — и даже редкими белыми — маки очень яркие и красочные. Их лепестки, однако, также очень тонкие; они состоят только из трех слоев клеток. Ученые из Университета Гронингена Каспер ван дер Коой и Докель Ставенга использовали микроскопию и математические модели, описывающие, как свет взаимодействует с лепестками, чтобы выяснить, как создаются яркие цвета. Результаты будут включены в специальное издание Журнала сравнительной физиологии А, которое посвящено взаимосвязи между насекомыми и цветами.

Основное направление исследований Ван-дер-Кои — эволюция цвета цветка и взаимодействие между цветом цветка и опылителями. Это привело его к исследованию того, как лепестки производят свои визуальные сигналы. Он объясняет, почему цветы мака (папа, меконопсис и родственные виды) интересны: «Обычный мак — это крайний случай, он имеет очень тонкие лепестки, которые, тем не менее, вызывают очень сильное рассеивание света. Маки также содержат высокие концентрации пигментов.

Кусочки головоломки

Исследователи собирали лепестки из разных видов мака и изучали их структуры, используя различные методы. Они обнаружили, что пигмент присутствует только в двух внешних слоях клеток, а не в среднем слое. Пигментированные клетки имели восхитительную форму со многими инвагинациями, которые делали их похожими на сложные кусочки мозаики. «Это создает много заполненных воздухом промежутков между ячейками, которые вызывают отражение света на границе ячейка / воздух», — говорит Ван дер Коой.

Кроме того, лепестки содержали огромное количество пигмента. «Они являются одними из самых высоких концентраций, которые я когда-либо измерял на любом цветке». Действительно, характерные черные отметины в центре некоторых цветов мака вызваны чрезмерной концентрацией красного пигмента. Ван дер Коой приходит к выводу, что густая пигментация в сочетании с сильным рассеянием вызывает яркие цвета мака в красных частях лепестка.

Сексуальная мимика

Новые результаты могут быть связаны с предыдущей работой по эволюции цвета мака. Интересно, что на Ближнем Востоке маки не отражают ультрафиолетовый свет, в то время как в Европе — те же виды. Это различие может быть связано с их предпочтительными опылителями. «В Европе маки опыляются в основном пчелами, которые плохо видят красный цвет; однако они подберут ультрафиолет. Напротив, маки на Ближнем Востоке опыляются жуками, которые видят красные цвета.

Более того, предыдущие исследования показали, что черные пятна в сердце некоторых маков имитируют присутствие женского жука. Это способ для цветов привлечь мужчин-жуков. Ван дер Коой объясняет случай сексуальной мимикрии, как это происходит с другими растениями, такими как орхидеи.

Воздушные зазоры

Следующий вопрос будет состоять в том, как эволюционировали эти волнообразные клетки и воздушные зазоры, которые вызывают эффективное рассеяние. «Эти формы клеток обычно присутствуют в листьях, так что это может быть ключом». Кроме того, результаты показывают, что у маков появились ультрафиолетовые сигналы, когда они начали расти в более северных регионах. Это делает эволюционную историю этих ярких цветов интересным объектом изучения.

Статья Ван дер Кооя и Ставенги будет включена в специальное издание Журнала сравнительной физиологии А, под редакцией Фридриха Барта (Венский университет). Это специальное издание под названием «Насекомые и цветы. Новые идеи старого партнерства» должно появиться в печати этой весной.

Согласно исследованию, проведенному в Университете Сэма Хьюстона, метод домашнего пивоварения, используемый для извлечения морфина из немытых семян мака, может привести к смертельным дозам препарата.

Мадлен Свортвуд, доцент кафедры криминалистики, начала исследовать эту проблему после того, как с ней связался отец 21-летнего мужчины, который умер после употребления домашнего чая из мака. Это один из многих случаев смерти и передозировки в моргах и отделениях неотложной помощи, которые подозревались в приготовлении домашнего наркотика.

Свортвуд и ее ученица протестировали 22 образца семян мака, которые были приобретены на законных основаниях в Интернете с использованием четырех методов домашнего приготовления, которые можно найти на форумах потребителей наркотиков. В исследовании прослежены три основных компонента препарата — включая морфин, кодеин и тебаин — и установлено, что эти методы могут привести к смертельным уровням морфина при умеренном применении. Хотя тебаин не вызывает привыкания, он был включен в тестирование, поскольку он полезен для определения семян мака в качестве источника морфина, чтобы исключить употребление героина. Результаты были опубликованы в журнале криминалистики.

«Хотя некоторые массовые семена мака могут быть более смертоносными, чем другие, из-за различий в концентрациях морфина как между поставщиками, так и между датами сбора урожая, следует отметить, что независимо от образца, можно получить смертельные дозы морфина из чая из семян мака, если умеренные объемы чая потребляются «, сказал Суортвуд.

По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, злоупотребление опиоидами является серьезной проблемой общественного здравоохранения, а передозировки наркотиков определены в качестве основной причины смерти от травм в Соединенных Штатах. Число случаев смерти от передозировки опиоидами с 1999 года увеличилось в четыре раза, и шесть из каждых десяти случаев смерти от передозировки связаны с опиоидом. Девяносто один американец умирает каждый день от передозировки опиоидов.

Хотя в Соединенных Штатах в качестве контролируемых веществ перечислены опиоидный мак и маковая соломка, семена мака не запрещены. Обработанные семена мака, как правило, используются в выпечке, например, в булочке с маком, которая не представляет угрозы для потребителей. Тем не менее, высокая концентрация морфина, содержащегося в немытых маковых семенах и извлеченного с помощью методов домашнего приготовления, может представлять опасность передозировки или смерти.

«Это исследование принесет знания правоохранительным органам и федеральному сообществу», — сказал Суортвуд. «Немытые семена мака легко доступны. Это новый незаконный способ получения высоких уровней морфина».

Исследователи из Йоркского университета и Британского музея обнаружили следы опиатов, хранящиеся в особом сосуде, относящемся ко времени позднего бронзового века.

Считается, что сосуды этого типа, известные как «джуглеты с базовым кольцом», имеют связи с употреблением опия, потому что в перевернутом виде они напоминают семенную головку опийного мака; они, как известно, широко продавались в восточной части Средиземного моря ок. 1650 — 1350 гг. До н.э.

Исследователи использовали ряд аналитических методов для изучения конкретного джуглета, размещенного в Британском музее, который представляет собой запечатанный сосуд, позволяющий сохранить содержимое внутри. Это означало, что у ученых была редкая возможность исследовать, какие компоненты могли выжить.

Первоначальный анализ, проведенный учеными из Британского музея, показал, что остатки джуглета в основном состоят из растительного масла, но намекают на присутствие опиумных алкалоидов, группы органических соединений, полученных из опийного мака, которые, как известно, оказывают значительное психологическое воздействие на Тело человека.

Однако для окончательного обнаружения алкалоидов и демонстрации наличия опиатов в остатках сосуда на масляной основе потребовалась новая аналитическая методика.

Используя инструменты в Центре передового опыта в области масс-спектрометрии при Университете Йорка, доктор Рэйчел Смит разработала новый аналитический метод в рамках своей докторской диссертации на химическом факультете университета.

Доктор Смит сказал: «Определенные опиатные алкалоиды, которые мы обнаружили, оказались наиболее устойчивыми к деградации, что делает их лучшими мишенями в древних остатках, чем более известные опиаты, такие как морфин».

«Мы обнаружили алкалоиды в разложившемся растительном масле, поэтому вопрос о том, как опиум использовался бы в этом джуглете, все еще остается. Мог ли он быть одним из других ингредиентов в смеси на масляной основе, или же он мог быть повторно использован? использовать для нефти после опия или что-то еще полностью? «

В прошлом утверждалось, что эти джуглеты можно было использовать для хранения масла мака, содержащего следы опия, для помазания или в парфюмерии. В этой теории эффекты опиума могли иметь символическое значение.

Профессор Джейн Томас-Оутс, заведующая отделом аналитических наук на химическом факультете и руководитель исследования в Университете Йорка, сказала: «Джуглет играет важную роль в раскрытии важных деталей о торговле и культуре того периода, поэтому Для нас важно попытаться развить дебаты о том, для чего это могло быть использовано.

«Мы смогли разработать строгий метод обнаружения опиатов в остатках такого типа, но следующая аналитическая задача — выяснить, сможем ли мы добиться успеха с менее хорошо сохранившимися остатками».

Это первый случай, когда были получены надежные химические доказательства того, что опийный мак связывался с джаглетом с базовым кольцом, несмотря на многочисленные предыдущие попытки исследователей за эти годы.

Доктор Ребекка Стейси, старший научный сотрудник отдела научных исследований Британского музея, сказала: «Важно помнить, что это всего лишь одно судно, поэтому в результате возникает много вопросов о содержании джуглета и его назначении. Присутствие алкалоидов здесь однозначно и дает новую перспективу дискуссии об их значении ».

Исследование опубликовано в журнале Analyst Королевского химического общества и финансируется Национальным советом по экологическим исследованиям (NERC).