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生物工程副教授克里斯蒂娜·斯默克（Christina Smolke）教授带领斯坦福大学的研究团队，耕耘这一领域多年，终于利用基因工程技术在发酵缸内“制造”出鸦片。相关研究成果发表在8月24日的期刊《自然化学生物学（Nature Chemic
据《每日科学》网站报道，数个世纪来，人们种植罂粟以获取鸦片，制造化合物吗啡以及其他重要的复合药物，如吗啡。现在，来自斯坦福大学的生物工程师们“黑掉了”酵母的DNA——将这些简单细胞重新编码，使其可以制造出人们所需的药物，原理和生产啤酒很像。
生物工程副教授克里斯蒂娜·斯默克（Christina Smolke）教授带领斯坦福大学的研究团队，耕耘这一领域多年，终于利用基因工程技术在发酵缸内“制造”出鸦片。相关研究成果发表在8月24日的期刊《自然化学生物学（Nature Chemical Biology）》中。
斯默克教授表示：“我们已经非常接近在（实验室内）复制整个鸦片生产过程，而且，完全不需要罂粟。这让我们可以在确保安全合法的情况下，生产必须的药物，并且避免因种植罂粟而引发法律问题。”科研人员将来自两个不同物种五种基因加入到酵母基因中。其中三个来自罂粟，其余来自寄生于罂粟茎秆的一种细菌。这一基因组合将酵母变为强大的“细胞工厂”，把原本毫不相干的两个过程整合起来——罂粟生成鸦片，从鸦片中提取精炼制造其他药物所需的化学制品。
吗啡是从鸦片中提取的三种主要止疼剂之一。另外两种分别是可待因（codeine，用于治疗咳嗽）和蒂巴因（thebaine，经过化学方法的深度提炼可以制造高级药物羟考酮和氢可酮）。全球最大的合法鸦片市场是美国，同样在这里，制药工厂依靠化学工艺生产止痛剂。然而，美国的鸦片种植并不能满足其自身的需要，从此带来了一系列国际问题。想要制造鸦片类药物需要至少17个分割的化学过程，一些自然地发生在罂粟生长过程中，另一些需要化学合成。
斯默克的研究团队想要将所有这些过程都放在酵母细胞内完成。当然，依靠自然选择，酵母恐怕很难进化成具备这种“能力”的生物，这时候，生物工程技术大显身手。
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。”
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2014-08-28 13:18:21
