Andrew Jones vid Miami University och hans team av studenter kan ha utvecklat en forskning först.

Genom metabolisk ingenjörskonst, de upptäckte ett sätt att på ett hållbart sätt producera en lovande läkemedelskandidat för att hjälpa patienter med behandlingsresistent depression.

Deras resultat publiceras i tidskriften Metabolic Engineering med titeln, "In vivo produktion av psilocybin i E coli ."

Psilocybin är nu i kliniska prövningar, och medicinsk personal ser lovande resultat för dess användning vid behandling av missbruk, depression och posttraumatisk stressyndrom hos människor.

Jones, biträdande professor vid Miamis avdelning för kemiska, papper, och biomedicinsk teknik, trodde att han kunde komma på en process med hjälp av genetiskt modifierade bakterier för att producera läkemedelskandidaten.

Kemikalien, psilocybin, finns naturligt i en specifik svamp, Psilocybe cubensis. Jones sa att han skulle massproducera psilocybin från sin naturliga svampvärd, det skulle kräva omfattande fastigheter och tid. För närvarande, alternativa syntetiska kemiska produktionsmetoder används men är mycket dyra. Jones, huvudforskaren av denna forskning, ville ha en lösning som bibehåller biologisk integritet och minskar produktionskostnaderna.

Att hitta en optimal ekologisk värd

Genom metabolisk ingenjörskonst, som hittar sätt att öka en cells förmåga att producera en förening av intresse, hans team av studenter utvecklade en serie experiment för att identifiera optimala psilocybinproduktionsförhållanden. Den nyligen publicerade artikeln beskriver deras arbete med att optimera produktionen av psilocybin i Escherichia coli-bakterierna. Teamet använder en välkänd E coli stam som är konstruerad för säker labbproduktion.

"Vi tar DNA från svampen som kodar för dess förmåga att göra den här produkten och lägger i den E coli , " sa han. "Det liknar hur du gör öl, genom en jäsningsprocess. Vi tar effektivt tekniken som möjliggör skala och hastighet i produktionen och tillämpar den på vår psilocybinproducerande E coli ."

Deras slutresultat är ett viktigt steg mot att demonstrera genomförbarheten av att producera detta läkemedel ekonomiskt från en biologisk källa.

"Det som är spännande är den hastighet med vilken vi kunde uppnå vår höga produktion. Under loppet av denna studie förbättrade vi produktionen från bara några milligram per liter till över ett gram per liter, en nästan 500-faldig ökning, " sa Jones.

Han ger mycket beröm och beröm till sina elever som designade många av experimenten som utfördes under den 18 månader långa studien.

"En stor del av mitt jobb är att utbilda studenter för att göra det här arbetet. Grundidén var min, men mycket av den experimentella designen föll på eleverna. Tidigt på, Jag skulle hjälpa dem att vägleda dem i den experimentella designprocessen. Mot slutet, de blev mer självständiga. Det är den typen av studenter vi vill ha när de närmar sig examen, " sa Jones.

Lär dig köra laboratorieexperiment

Huvudförfattare Alexandra (Lexie) Adams, en junior kemiingenjör, blev medlem i forskargruppen hennes första år, precis när Jones Lab började. Tålmodig och noggrann, Jones arbetade med den visserligen nervösa Adams om grunderna för laboratorieforskning. Det lönade sig.

Det första arbetet gjordes sommaren 2018 som Adams och en annan student medförfattare, Nicholas Kaplan, deltog i Miamis Undergraduate Summer Scholars Program. Programmet ger finansiering till studenter för grundutbildning.

Båda eleverna, arbetar med separata studier, lärt sig ins och outs av forskning, få självförtroende och lära sig lektioner allteftersom sommaren fortskred.

Kaplan, en junior kemiingenjör, studerade genomförbarheten av cyanobakterier som en annan potentiell metabolisk ingenjörsvärd. Hans resultat visade blandade resultat, och det beslutades att labbteamet skulle fokusera på Adams psilocybin i E coli projekt.

Firar ett forskningsgenombrott

Adams minns när de såg genombrottet i sin forskning. Deras mål var att överföra DNA från svampen och se aktivitet i svampen E coli värd.

"När vi överförde DNA, vi såg [en liten] topp dyka upp i våra data. Vi visste att vi hade gjort något stort, " Hon sa.

Andra medlemmar i teamet inkluderade:examen Zhangyue "Tom' Wei (Miami '19), examen John "Jack' Brinton (BS Miami '17, MS Miami '19), junior Chantal Monnier, senior Alexis Enacopol, och anställd Theresa Ramelot, instrumenteringsspecialist.

Både Adams och Kaplan fortsätter att arbeta med Jones. Studenterna leder projekt som bygger på den senaste framgången med psilocybinarbetet. Var och en av dem börjar dela med sig av vad de har lärt sig i labbet genom att vara mentor för nya studenter som går med i Jones Lab.

"Det är viktigt för [de nya studenterna] att förstå helheten så att de ser orsakerna till de olika stegen i experimenten, sa Kaplan.

Jones fullföljer nästa fas av denna forskning genom att studera sätt att göra E coli bakterier en bättre värd – nästa steg mot att möjliggöra hållbar produktion på nivåer som krävs av läkemedelsindustrin.