E. coli kejuruteraan genetik boleh meningkatkan pembangunan ubat

Sama ada anda mengambil ubat relaks otot atau ubat jantung, anda mungkin menggunakan ubat yang mengandungi benzoxazole yang dihasilkan secara sintetik. Walaupun benzoxazole semulajadi menunjukkan janji yang lebih ketara dalam farmaseutikal, masa mereka untuk membangunkan sifat-sifat yang tidak diingini secara organik dan wujud menghalang penggunaannya.

Dr. Xuejun Zhu, penolong profesor di Jabatan Kejuruteraan Kimia Artie McFerrin di Texas A&M University, bersama pelajar siswazah Huanrong Ouyang, dan dua pelajar sarjana muda, Joshua Hong dan Jeshua Malroy sedang mensintesis benzoxazole semula jadi menggunakan E. coli dengan harapan untuk membangunkan lebih banyak kaedah yang cekap, mesra alam dan kos efektif untuk menghasilkannya untuk pembangunan dadah pada masa hadapan.

Penyelidikan mereka diterbitkan dalam jurnal American Chemical Society Biologi Sintetik ACS 2021.

Benzoxazole ialah sebatian heterosiklik yang terdiri daripada karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen. Ia boleh dihasilkan secara sintetik tetapi juga terdapat dalam produk semulajadi bioaktif seperti nataxazole, caboxamycin dan calcimycin. Benzoxazole yang dicipta secara sintetik terdapat dalam farmaseutikal sintetik dari chlorzoxazone (pelenggang otot) kepada tafamidis (untuk merawat penyakit jantung).

Walau bagaimanapun, benzoxazole semulajadi jarang digunakan kerana masa yang diperlukan untuk menghasilkan sebatian secara organik dan sifat-sifatnya yang tidak diingini, seperti ketoksikan tinggi, potensi rendah dan keterlarutan yang lemah. Terdapat penyelidikan terhad tentang benzoxazole semulajadi, tetapi ia mengandungi banyak kualiti yang menunjukkan potensi untuk kegunaan masa depan dalam rawatan kanser, antiparasit dan antimikrob. Sebagai contoh, beberapa benzoxazole semulajadi menunjukkan aktiviti sitotoksik yang menjanjikan yang melawan pelbagai garisan sel tumor.

“Pada masa ini, kaedah semula jadi untuk menghasilkan kompaun benzoxazole berlaku dengan sangat perlahan, kadangkala mengambil masa seminggu atau lebih lama,” kata Zhu. “Kompaun semula jadi juga boleh menyebabkan tahap ketoksikan berlebihan atau sifat tidak diingini lain yang menyekat penggunaannya.”

Berhasrat untuk mengekstrak dan memerangi kualiti tertentu benzoxazole semulajadi, para penyelidik beralih kepada mikrob, E. coli—bakteria yang terdapat dalam persekitaran dan dalam usus manusia dan haiwan.

“Berbanding dengan mikrob lain, E. coli tumbuh dengan sangat cepat, ” kata Ouyang. “Penyelidik moden telah menjalankan banyak kajian tentang E. coli, dan lebih mudah bagi kita untuk memanipulasi secara genetik untuk peningkatan produktiviti, terutamanya untuk pengeluaran berskala besar.”

Para penyelidik mengubah suai E. coli dengan beberapa gen penting untuk membuat benzoxazole semulajadi. Dengan menggandingkan E. coli yang direka bentuk dengan biosintesis terarah prekursor, satu laluan dibangunkan untuk menghasilkan benzoxazole semula jadi pada kadar yang lebih pantas.

“Daripada kajian kami, kami mendapati kami boleh menghasilkan tiga jenis benzoxazole yang berbeza secara serentak,” kata Zhu. “Setiap jenis boleh mempunyai aktiviti biologi yang berbeza seperti antimikrob, antiparasit dan antikanser.”

Dengan menyesuaikan pembolehubah, seperti menggunakan prekursor yang berbeza, para penyelidik boleh mengembangkan lagi kepelbagaian struktur benzoxazole dengan harapan untuk membalikkan beberapa isu semula jadi benzoxazoles untuk meningkatkan keterlarutan dan potensi sambil menurunkan tahap ketoksikan.

“Kami mendapati bahawa platform berasaskan E. coli kami boleh mengecam dan menggabungkan prekursor terpilih seperti fluorin atau klorin ke dalam perancah,” kata Ouyang. “Penyelidikan kami berfungsi sebagai asas untuk penemuan dan pembangunan ubat masa depan.”

Dengan cara yang mampan untuk membangunkan benzoxazole semula jadi, ia berpotensi digunakan dalam pelbagai ubat dengan lebih banyak faedah daripada benzoxazole yang dihasilkan secara sintetik. Para penyelidik berharap ini adalah satu langkah ke arah kaedah yang mudah dan kos efektif untuk menghasilkan analog benzoxazole novel melalui kejuruteraan protein dan biosintesis gabungan.

Kerja ini disokong oleh Texas A&M Engineering Experiment Station dan dana permulaan jabatan kejuruteraan kimia.