砂糖水からモルヒネ？

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化学者のつぶやき

モルヒネ、と聞くと犯罪の匂いがしますよね。きちんと医薬品として利用されているにも関わらず。

モルヒネは、ケシ (opium poppy) から単離されるアルカロイドです。ケシを育てて抽出することによって得ることができます（法律で禁止されています）。

しかし、高度な科学技術に慣れた現代人は

“ちまちまケシ植物育ててモルヒネ集めるなんてやってられないぜ！”

と思ってしまいました。

文明の発達は、人間を短気にさせた！

しかし、これこそが科学技術の発展のモチベーションです！

もっと簡単に、錬金術みたいにモルヒネ作る方法ないのかなぁ？

今回ご紹介するものは昨年報告されたものですが、最新の科学技術でそれを実現した論文です。著者らは、オピオイド生合成遺伝子を導入した酵母により、砂糖（sugar）を原料として Thebaine とHydrocodone を生産する系を構築しました。

簡単に言えば、”培地に砂糖と酵母を入れてシェイクするだけでモルヒネ様物質を生産できる”ということになります。

“Complete biosynthesis of opioids in yeast”

Stephanie Galanie, Kate Thodey, Isis J. Trenchard, Maria Filsinger Interrante, Christina D. Smolke*

Science 2015, 349, 1095-1100. DOI: 10.1126/science.aac9373

オピオイド?

図：代表的なオピオイド化合物

オピオイドとは、ケシから採取されるアルカロイドや、そこから半合成された化合物のことを指します。簡単に言うと、モルヒネに非常に近い構造を持つ化合物など、オピオイド受容体に結合する化合物たちです。

モルヒネの薬効については、広く知られていますが、

“投与された人に痛みを忘れさせ、逞しく生きようという希望を与えてくれるもの…”

とでも書くのがわかりやすいでしょうか？こう書くとヒュウガウイルスの “向現” に近い感じがしてしまいますね？

今回筆者らが合成した Thebaine はオピオイド生合成系の中間体であり、医薬品などの重要な原料として用いられています。Hydrocodone は、他の薬剤と組み合わせて鎮痛剤として処方されています（日本では違法）。また、モルヒネのメチル化誘導体であるCodeineは咳止めとして広く用いられ、アセチル化誘導体である Heroinは依存性の強い麻薬として広く禁止されています。

砂糖水からオピオイド

（図は論文より）

オピオイドの生合成には、上図に示すように多数の生合成酵素が関与しています。

著者らは、Thebaine と Hydrocodone を合成するために、それぞれ 21 個、23 個もの遺伝子を酵母で発現させています。この手の研究でここまで大量の遺伝子を発現させている例はありません（通常は 10 個以下）。

今回の研究の背景としては、数ヶ月〜数年単位で成長を待たなければいけない植物の生合成遺伝子を数日〜数週間単位で成長する微生物に導入できれば、有用物質が大量生産できるんじゃないかということです。しかし、実際に実現するには様々な障壁があります。

異種発現と聞くとそんなに難しくないと思う人もいるかもしれませんが、生物種のレベルを落としての異種発現は難しいです。生物種のレベルは、原核生物、真核生物にまず分けられます。原核生物は大腸菌など、真核生物では酵母、昆虫、植物、動物など。一般に生物種のレベルが低いほど増殖スピードが速いですが、遺伝子を読み取ってから酵素を作る過程（翻訳）の精度は落ちます。なので、植物の遺伝子を酵母に導入することは簡単でも、翻訳された酵素が酵母の中で機能するかどうかはまた別の話です（さらに、発現量を増やすには生物種ごとにコドン配列も最適化しないといけません。）

今回のケースでは、オピオイド生合成経路を構築するために植物のみならず、他の生物種の酵素を導入しております。また、野生型ではなく変異体も多く用いていることから、数多くの検討がなされたことが伺えます。まさに Science にふさわしい仕事だと思います。

今回の研究では、(S)-Reticuline を (R)-Reticuline に変換するエピメラーゼ (DRS-DRR) や CYP の探索など注目すべき点が盛りだくさんなのですが、マニアックな話になってしまうので割愛します。

実験室でオピオイド作るのって違法じゃないの？

opioid_abstract

許可を取れば大丈夫です！

筆者たちは、abstract の中で許可を取ったと明記しています。論文中にもDEAに許可を取ったと書いてあります（今回の論文を読むまで、筆者は DEA なんてドラマの中でしか聞いたことありませんでした。）

最後に

このように複雑な天然物を微生物に作らせるという試みが近年盛んになってきています。成長の遅い植物の生合成遺伝子をより成長の早い酵母や大腸菌に組み込む、”生合成経路の再構築”。別々の生合成経路の酵素をシャッフルして新しい代謝物を合成しようとする試み、など様々です。

これらの手法のメリットは、一度生産菌を構築してしまえば、二回目以降は物質生産が楽という点です。全合成は、一度合成経路を確立しても、最初から最後までもう一度行うには、何週間もかかります。その点、生合成遺伝子を導入した酵母の培養は数日で終わります。微生物はすぐ増えますので、常に少し冷凍庫にストックしておけば、いつでも簡単に増やすことができます。

また、今年に入り、さらに増殖速度の速い大腸菌でモルヒネを作る系を確立した報告がされました（参考文献）。収量も 2.1 mg/L と大幅にアップしました。(2.1 mg のモルヒネを合成するのにどれだけの有機溶媒と試薬と熱エネルギーが必要かを考えれば、この凄さがわかると思います。この系では実質砂糖水しか使っていませんので、環境低負荷です。培地も砂糖水みたいなもんです。培養もわずか 3 日程度ですし、培養温度も25〜37℃です。)

このような異種発現系がもっと利用され、先進国のみならず、途上国にも医薬品が安く行き渡ることを願っています。

参考文献

“a microbial biomanufacturing platform for natural and semisynthetic opioids” Kate thodey, stephanie Galanie & Christina d smolke* Nat. Chem. Biol. 2014, 10, 837-844. DOI:10.1038/nchembio.1613

Total biosynthesis of opiates by stepwise fermentation using engineered Escherichia coli Akira Nakagawa, Eitaro Matsumura, Takashi Koyanagi, Takane Katayama, Noriaki Kawano, Kayo Yoshimatsu, Kenji Yamamoto, Hidehiko Kumagai, Fumihiko Sato & Hiromichi Minami Nat. Commun. 7, DOI: 10.1038/ncomms10390