Alkaloidbaserade läkemedel som härrör från växter kan vara kraftfulla behandlingar för en mängd olika sjukdomar. Men att få dessa kraftfulla terapeutiska medel från växter kan ta lång tid och kosta mycket pengar, eftersom det ofta krävs många växter för att göra en liten mängd läkemedelsprodukt.

Ändå kan framsteg inom metabolisk konstruktion av mikrober leda till billigare, snabbare produktion av läkemedel som redan godkänts av Food and Drug Administration (FDA). Det är slutsatsen i en studie som nyligen publicerades i Naturens kemiska biologi av Amy Ehrenworth, en doktorsexamen studerande, och Pamela Peralta-Yahya, en biträdande professor och Ehrenworths rådgivare vid School of Chemistry and Biochemistry.

Metaboliska vägar är kärnan i lösningen, säger Peralta-Yahya. Dessa vägar är som produktionslinjer som omfattar de enzymer som krävs för att montera specifika produkter, såsom terapeutiska alkaloider. Tack vare framsteg inom ämnesomsättningsteknik och syntetisk biologi, växtmetaboliska vägar kan installeras i mikrober, gör det möjligt för mikrober att tillverka växtprodukterna.

Många läkemedel som är baserade på naturliga växtprodukter framställs genom halvsyntes. Det innebär vanligtvis att man tar föreningar från växten och omvandlar dem kemiskt för att få de önskade läkemedelsprodukterna i slutet av produktionslinjen.

Vissa av dessa kemiska steg kan vara besvärliga. När det gäller modifierade alkaloider, Ehrenworth och Peralta-Yahya visade 2015 att mikrober kan modifieras för att lättare producera dem. För det nya arbetet, Ehrenworth undersökte läkemedelsdatabaser för att hitta alkaloidläkemedelskandidater som är berättigade till produktionseffektivitet genom konstruerade mikrober.

När det gäller att sänka kostnaderna för läkemedelsproduktion, "Vår insikt var att vi inte nödvändigtvis skulle använda konstruerade mikrober för att göra den exakta växtnaturprodukten, " Peralta-Yahya säger. "Istället borde vi använda konstruerade mikrober för att göra något som är närmare ett FDA-godkänt läkemedel."

"Du kan odla kar med mikrober över natten, så det är en mycket snabbare process, " Ehrenworth säger. "Du dödar inte heller träd."

Ehrenworth syftar på det kinesiska lyckliga trädet, källan till alkaloidläkemedlet camptothecin. Två cancerläkemedel, topotekan och irinotekan, är derivat av kamptotecin, och deras produktion startar från den naturliga alkaloiden.

"Båda dessa derivat är modifierade på samma plats på molekylen, Ehrenworth säger. Att konstruera mikrober för att göra den sista vanliga mellanprodukten innan de slutliga läkemedelsföreningarna skulle minska de kemiska stegen som krävs.

För att söka efter läkemedel som skulle ha nytta av denna typ av ämnesomsättningsteknik, Ehrenworth sökte i databaser med mer än 2, 000 FDA-godkända läkemedel tillgängliga från Drugbank.ca, FDA, och andra källor. Hon och Peralta-Yahya fastställde att sju FDA-godkända modifierade alkaloidläkemedel skulle vara de mest fördelaktiga målen för metabolism:solifenacin, galantamin, cisatracurium, levorfanol, butorfanol, irinotekan, och topotekan.

"Jag blev förvånad över hur många modifierade alkaloider som kunde konstrueras med dagens teknik, " Peralta-Yahya säger. "Jag trodde att vi kanske skulle hitta en eller två. Men det var många, och du kan bokstavligen börja arbeta med dem imorgon."

Kemister och biologer behöver inte vänta på att ny teknik eller process ska upptäckas eller byggas, tillägger Peralta-Yahya. "Allt finns där."