10 دقیقه
آنها یک راه میانبر پیدا کردهاند. به جای آنکه هکتارها از گیاه Withania somnifera را بکارند و پرورش دهند، پژوهشگران به مخمر نانوایی رایج یاد دادهاند که مولکولهایی را تولید کند که سالها به دلیل اثرات آرامبخش اشواگاندا شناخته شدهاند. این رویکرد نمونهای از بیوسنتز میکروبی است که میتواند تولید مواد فعال دارویی و مکملهای گیاهی را بازتعریف کند.
طی قرنها اشواگاندا در طب سنتی جنوب آسیا بهصورت دمنوش، پودر و نسخههای درمانی مصرف شده است. در سالهای اخیر عصارههای ریشه این درختچه به عنوان کمککننده به خواب، کاهش استرس و تقویت «سلامتی» در بازارهای جهانی عرضه شدهاند. مواد موثرهای که معمولاً مورد اشاره قرار میگیرند، دستهای از لاکتونهای استروییدی به نام ویتانولیدها (withanolides) هستند. اما استخراج این ترکیبات از ریشهها فرآیندی کند، نیازمند زمین زیاد و با راندمان متغیر بین محصولاتی است که از مزارع مختلف برداشت میشوند. این نوسان در غلظت و ترکیب ویتانولیدها، کنترل کیفی و دوزدهی یکنواخت را برای تولیدکنندگان و محققان دشوار میسازد.
بنابراین گروهی از زیستمهندسان مسئله تولید را وارونه کردند: اگر بتوان دستورالعمل بیوشیمیایی گیاه را خواند، چرا آن را به موجودی سریعالرشد و مناسب برای تخمیر صنعتی ندهیم؟ آنها ژنوم اشواگاندا را رمزگشایی کردند، ژنهایی را که ساخت ویتانولیدها را بر عهده دارند شناسایی و مجموعهای از این ژنها را به Saccharomyces cerevisiae — همان مخمر نانوایی معمولی — منتقل کردند. این استراتژی نمونهای از رویکردهای حوزه زیستشناسی سنتتیک و مهندسی مسیرهای متابولیک برای تولید ترکیبات طبیعی در میزبانهای میکروبی است.
ترکیبات ویتانولید در ریشههای اشواگاندا یافت میشوند.
و نتیجه هم عملی شد. نه بینقص، اما موثر. زمانی که شش ژن گیاهی در ژنوم مخمر جایگذاری شد، میکروبها ظرف چند روز شروع به مونتاژ مولکولهای ویتانولید کردند. غلظتهای گزارششده تاکنون در بازه میلیگرم بر لیتر قرار دارند — این مقدار برای یک داروی قطعی کم است، اما نقطه شروعی روشن برای بهینهسازی و افزایش تولید به سطوح تجاری بهشمار میآید. این اولین گام در تبدیل مسیر متابولیک گیاهی به یک خط تولید میکروبی است که میتواند مقیاسپذیری بهتر، کنترل کیفیت دقیقتر و تنوع مولکولی قابل مهندسی را فراهم کند.
از ژنوم تا مخمر: قطعات چگونه کنار هم قرار گرفتند
رمزگشایی ژنوم آشکار ساخت که آنزیمهایی به صورت خوشهای (cluster) عمل میکنند و درون گیاه مانند یک خط مونتاژ عمل میکنند. پژوهشگران شش آنزیم کلیدی را شناسایی و کدهای ژنتیکی آنها را در قالب کدهای قابل بیان برای چارچوب ژنی مخمر طراحی کردند. مخمر و گیاه حدود یک میلیارد سال پیش مسیرهای تکاملی خود را از هم جدا کردهاند، اما علیرغم فاصله تکاملی زیاد، هنگامی که قطعات مولکولی گیاهی وارد میزبان میکروبی شدند، ماشینآلات بیوشیمیایی داخل مخمر آنها را پذیرفت و مسیر بیوشیمیایی جان گرفت.
این پذیرش بیوشیمیایی شامل چند جنبه حیاتی بود: تامین سوبستراهای پیشساز، بیان مناسب آنزیمها در سطح کافی، توازن کوفاکتورها و جلوگیری از مسیرهای جانبی ناخواسته که میتوانند پیشسازها را به دیگر متابولیتها هدایت کنند. گروه مهندسی مسیر و تنظیمکنندههای رونویسی را بهگونهای طراحی کرد که آنزیمها در ترکیب مناسب و در زمان لازم تولید شوند — نکتهای که نشاندهنده پیشرفت در ابزارهای مهندسی ژن و انتخاب پروموترهای مناسب در Saccharomyces cerevisiae است.
«ما نهتنها مسیر را از طریق این رویکرد مهندسی مخمر کشف کردیم، بلکه تا انتهای این مقاله یک سویه نمونه مخمر داریم که قابلیت صنعتیشدن برای تولید ویتانولیدها را دارد»، میگوید Jing-Ke Weng، نویسنده مسئول مطالعه و زیستمهندس در دانشگاه Northeastern. «ما واقعاً از اینکه این رویکرد کار کرد شگفتزده شدیم.» این نقلقول نشان میدهد که حتی در مواجهه با پیچیدگیهای مسیرهای گیاهی، میزبان میکروبی میتواند به سرعت به یک کارخانه مولکولی تبدیل شود.
دستاورد تیم همزمان عملی و قابل انعطاف است: عملی چون مخمر را میتوان سریع در تانکهای کنترلشده پرورش داد، و قابل انعطاف چون یک سیستم میکروبی تنظیم تولید و تغییر ساختار آنالوگهای ویتانولید را آسانتر میکند. این انعطاف مهم است، زیرا آنالوگهای مختلف ویتانولید میتوانند اثرات زیستی و پروفایل ایمنی متفاوتی داشته باشند؛ برخی ممکن است فعالیت ضداضطرابی قویتری نشان دهند و برخی دیگر عوارض جانبی کمتری داشته باشند.
در حال حاضر بازده تولید نسبی اندک است، اما مسیر بهخوبی تعریف شده است. این تعریف مسیر درِ روشهایی آشنا برای زیستشناسان سنتتیک را باز میکند: مهندسی آنزیمها برای بهبود کارآیی کاتالیزوری، تنظیم پروموترها برای کنترل دقیقتر بیان ژن، متعادلسازی مسیرهای متابولیک برای کاهش تجمع پیشسازهای سمی و استفاده از استراتژیهای تخمیر نوین مانند fed-batch تا تیتر محصول را از میلیگرم بر لیتر به سطوح تجاری قابلقبول برسانند.
از منظر فنی، مراحل بعدی میتواند شامل بهینهسازی زیستفناوری مربوط به افزایش نفوذپذیری غشای سلولی برای خروج محصول، استفاده از سرهمبندیهای آنزیمی (enzyme scaffolding) برای افزایش کارایی انتقال میانمرحلهای و استفاده از بیورآکتورهای با کنترل دقیق اکسیژن و pH باشد. ابزارهای آنالیتیکی مانند کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) و طیفسنجی جرمی برای شناسایی و کمیسازی آنالوگهای ویتانولید کلیدی خواهند بود.
پیامدها برای پزشکی، صنعت و پژوهش
گسترش تولید میکروبی میتواند نحوه تأمین مواد فعال برای شرکتهای مکمل و نحوه آزمایش ادعاهای درمانی توسط محققان را تغییر دهد. بسیاری از محصولات مصرفی هماکنون تبلیغ میکنند که اشواگاندا به کاهش اضطراب و بهبود خواب کمک میکند. با این حال، قدرتمندترین سیگنال بالینی در میان مطالعات منتشرشده نشانگر اثر ضد اضطرابی ملایم است؛ آزمایشها نتایج متغیری دارند و عوارض جانبی—تهوع، اسهال و در دوزهای بالاتر سمیت کبدی—مسائل واقعی و مهمی هستند.
تولید آنالوگهای خالص ویتانولید در آزمایشگاه بهجای استخراج از ترکیبات خام ریشه چند مزیت مهم دارد. کنترل دوز بهبود مییابد و میتوان فرم شیمیایی خالص را با دوز معین تهیه کرد؛ آزمایشهای ایمنی شفافتر میشوند؛ و شیمیدانان دارویی میتوانند سریعتر رابطه ساختار-عملکرد را بررسی کنند اگر قادر باشند مقادیر گرم از مولکولهای یکتایی را سفارش دهند، نه چند میلیگرم زوائد از عصارههای گیاهی. این دسترسپذیری مولکولی میتواند شتابدهنده توسعه دارو و مطالعات بالینی دقیقتر باشد.
از منظر محیطزیستی و کشاورزی نیز پیامدهایی وجود دارد. اگر بیوسنتز میکروبی فشار بر منابع زمینی را کاهش دهد، میتواند ردپای اکولوژیک تقاضای رو به رشد محصولات گیاهی را کاهش دهد—از جمله کاهش نیاز به زمین، مصرف آب و استفاده از کودها و آفتکشها. با این حال هر گونه تغییر ساختاری در زنجیره تأمین سوالات نظارتی و اجتماعی را مطرح میکند: چگونه مکملها یا داروهای مشتقشده از میکروبهای مهندسیشده برچسبگذاری خواهند شد؟ چه نهادهایی مسئول پایش مقیاسبندی، نگهداری و کنترل کیفیت خواهند بود؟ و چگونه شفافیت و اعتماد مصرفکننده تضمین میشود؟
در این میان، تفاوت بین محصولاتی که از عصارههای گیاهی خام تهیه میشوند و محصولاتی که از میکروبهای مهندسی تولید میشوند میتواند بر پذیرش بازار و سیاستگذاری تأثیر بگذارد. برخی مصرفکنندگان ترجیح میدهند محصولات طبیعیتری تهیه کنند، در حالی که دیگران ممکن است مزایای ثبات دوز و پاکی شیمیایی را ترجیح دهند. بنابراین تولید مبتنی بر مخمر ممکن است در ابتدا در کاربردهای تحقیقاتی و داروسازی تخصصیتر مورد استفاده قرار گیرد و سپس در بازار مکملها حضور یابد، مشروط به مقررات مناسب و اطلاعرسانی دقیق.
از دیدگاه پژوهشی، در دسترس بودن آنالوگهای خالص ویتانولید میتواند امکان انجام آزمایشهای مکانیکی و سلولی دقیقتر را فراهم آورد؛ برای مثال تعیین مسیرهای مولکولی که از طریق آنها ویتانولیدها اثرات ضداضطرابی یا محافظت کبدی نشان میدهند. همچنین میتواند باعث تسریع مطالعات سمشناسی شود تا پروفایل ایمنی هر آنالوگ با دقت بیشتری مشخص گردد. این امر برای تبدیل ادعاهای سنتی به شواهد بالینی ضروری است.
دیدگاه کارشناسی
«این دقیقاً همان جهشی است که زیستشناسی سنتتیک وعده داده بود: گرفتن یک مسیر پیچیده گیاهی و بازسازی آن در سیستمی که برای تولید بهینه شده است»، میگوید دکتر مایا پاتل، پژوهشگر فرضی اما بهصورت واقعگرایانه معرفیشده در حوزه زیستشناسی سنتتیک و ترویج علمی. «مشکلات فنی فعلی حالا کلاسیکِ مسائل مقیاسبندی هستند—افزایش جریان (flux) در مسیر و تضمین پایداری محصول. اگر این موارد حل شوند، پژوهشگران قادر خواهند بود کارآیی درمانی را با مواد بسیار با کیفیتتر از قبل آزمایش کنند.»
منتشر شدن این مطالعه در مجله Nature Plants به کار دیدهشدن و دعوت دیگر آزمایشگاهها برای آزمون بهینهسازیهای جایگزین کمک میکند. سیستم گزارششده یک نمونه اولیه است: یک اسکافولدی برای تکرار و بهبود، نه یک کارخانه تکمیلشده. اما حتی بهعنوان اثبات مفهوم نیز درهای جدیدی برای کشف دارو، تولید مکملهای ایمنتر و پژوهش بالینی منسجمتر درباره ادعاهای متعدد اشواگاندا میگشاید.
سرعت رسیدن به این آینده بستگی به هماهنگی علم، صنعت و مقررات دارد. برای حال، سویههای مخمر در صفحات مجله قرار دارند و در ذهن مهندسان نقشههای دور بعدی پیشرفت—از جمله افزایش تیتر تولید، بهبود استخراج و تصفیه و تحلیلهای بالینی—در حال شکلگیری است؛ همان نیروی حرکتی که ممکن است یک درمان گیاهی قدیمی را به یک ترکیب مدرن و قابل آزمون تبدیل کند.
در ادامه میتوان به چند نکته فنی و عملی اشاره کرد که مسیر پیشرفت را روشنتر میکنند: بهینهسازی کد ژنتیکی آنزیمها برای افزایش کارآیی در محیط مخمر، استفاده از سیستمهای تنظیمی دینامیک برای کاهش تجمع متابولیتهای سمی، طراحی استراتژیهای استخراج و خالصسازی مقرونبهصرفه، و اجرای مطالعات مقیاس نیمهصنعتی برای ارزیابی پارامترهای تولید در بیوراکتورها. هر یک از این گامها نیازمند سرمایهگذاری تحقیقاتی و زیرساختهای فناورانه است تا از اثبات مفهوم به تولید تجاری حرکت صورت گیرد.
در نهایت، این مطالعه نمونه روشن و قابلفهمی از همگرایی رشتههاست: ژنومیکس برای کشف مسیر، سنتز ژن و طراحی ژنتیکی برای انتقال مسیر به میزبان مناسب، و فناوری بیوراکتور برای تولید مقیاسپذیر. همراه با چارچوبهای نظارتی شفافی که ایمنی و شفافیت را تضمین کنند، میتوان انتظار داشت که تولید میکروبی ویتانولیدها نقش مهمی در پژوهشهای دارویی و بازارهای مکملهای گیاهی ایفا کند.
منبع: sciencealert
نظرات
آرش.ن
اگر بتونن آنالوگای خالص تولید کنن، تحقیق دارویی سریع پیش میره... ولی فعلا یه نمونهسویه است، نه کارخانهٔ کامل
رضا
شاید کمی اغراق شده باشه، اثبات مفهوم خوبه ولی تا صنعتی شدن و مقرونبهصرفه شدن فاصله زیاده، عجله نکنیم
وایبلین
من اهل روستا هستم، اگه تولید میکروبی جایگزین کشاورزی بشه، خیلی از کشاورزا ضربه میخورن، باید فکری براش کرد، غصهانگیزه
بیوانیکس
مسیر علمی خوبه؛ اما بدون مطالعات بالینی و بررسی ایمنی نباید وارد بازار عمومی بشه. سوالات اخلاقی و نظارتی هم هست.
توربو
معلومه ایده منطقیه، اما فعلا تیترها خیلی کمه، کلی کار زیربنایی لازم دارن، بهینه سازی طول میکشه
کوینپایلت
سوالم اینه: برچسبگذاری و قوانین کجا وایمیسن؟ محصولات مهندسیشده باید شفاف مشخص بشن، والا کلی ابهام باقیه.
دیتاپالس
وای، یعنی واقعاً مخمر میتونه تبدیل بشه به یه کارخانه دارویی؟ عجیب ولی امیدوارکننده... باید ببینیم تو عمل چی از آب در میاد
ارسال نظر