Создание экологичных лекарств: использование природы без её истощения
Исследователи из лаборатории Цзин-Ке Вэна в Институте Уайтхеда собирают образцы растений по всему миру — от супермаркетов до побережья Панамы и питомников в Юконе. Их цель — изучить огромное химическое разнообразие растений, которое те используют для защиты от вредителей, привлечения опылителей и взаимодействия с окружающей средой. Многие из этих соединений полезны для человека в качестве лекарств, как это известно из традиционной медицины (например, имбирь от расстройства желудка или кора ивы — предшественник аспирина). Современные препараты растительного происхождения включают противомалярийный артемизинин из полыни однолетней (Artemisia annua) и противораковый паклитаксел (таксол) из тиса. Однако потенциал сотен тысяч видов растений в значительной степени остаётся нераскрытым.
Цена открытия лекарств
Большинство современных фармацевтических препаратов создаются в лаборатории путём многоступенчатого синтеза. Этот процесс имеет ограничения: лабораторные методы часто производят плоские двумерные молекулярные структуры, в то время как растения создают сложные трёхмерные формы, обеспечивающие специфическое взаимодействие в клетках. Химический синтез сложных молекул также менее эффективен, требует много энергии и создаёт экологически опасные отходы.
В ответ на это многие исследователи обращаются к принципам «зелёной химии». Один из подходов — поиск лекарств, уже существующих в природе, что снижает энергозатраты и загрязнение. Однако сбор растений имеет свои экологические недостатки: растущий спрос ведёт к риску чрезмерного сбора, что угрожает таким видам, как американский женьшень (Panax quinquefolius), гуггул (Commiphora wightii), золотарник канадский (Hydrastis canadensis) и тис. Некоторые растения, например, тис (источник таксола), растут очень медленно, что снижает предложение и увеличивает давление на популяцию. Другие, такие как золотой корень (Rhodiola rosea) — источник салидрозида (потенциальное средство от депрессии и усталости) — и кава (Piper methysticum) (изучается для снятия боли и тревоги), уже пострадали от чрезмерного сбора из-за коммерческого интереса.
Получение пользы от природы без её истощения
Чтобы решить проблему чрезмерного сбора, лаборатория Вэна разработала конвейер для разработки лекарств, позволяющий производить препараты растительного происхождения в больших масштабах, практически не собирая сами растения. Процесс включает:
- Поиск ценных химических соединений в растениях.
- Определение полного конвейера ферментов, который растение использует для создания целевой молекулы.
- Воссоздание этих биологических путей в новых организмах-хозяевах, пригодных для масштабирования, таких как дрожжи, бактерии и табак, путём переноса генов необходимых ферментов.
Если путь воссоздан правильно, хозяин начинает производить нужное химическое вещество. Этот метод уже успешно применён для производства салидрозида из золотого корня, кавалактонов из кавы, лициуминов (для лечения высокого кровяного давления), салициловой кислоты (для лечения акне и бородавок) и других соединений.
Кроме того, процесс позволяет модифицировать молекулы, изменяя конвейеры ферментов при их воссоздании, создавая новые, не существующие в природе варианты исходных соединений, которые могут быть более эффективными или безопасными.
Цель этого подхода — показать возможность создания устойчивых, «зелёных» фармацевтических препаратов. Массовое производство лекарств таким способом сделает его проще и дешевле, защитит виды и их естественную среду обитания от последствий чрезмерного сбора. Сохранение биоразнообразия критически важно для медицины, поскольку среди сотен тысяч видов растений может скрываться следующее артемизинин или паклитаксел. Истощение окружающей среды (как из-за чрезмерного сбора, так и из-за потери разнообразия растений, вызванной изменением климата) может привести к незаметному исчезновению следующего важного лекарственного растения вместе с его химическими секретами.