Un gruppo di bioingegneri dell’Università di Stanford, in California, ha riprogrammato il meccanismo cellulare di un particolare tipo di lievito, con l’obiettivo di produrre alcaloidi tropanici, sostanze naturali dalle proprietà antispastiche e sedative, normalmente presenti nelle foglie di alcune piante che abbondano in Sudamerica e che non è sempre facile importare, soprattutto in epoca Covid-19.

La biotecnologia medica, branca delle biotecnologie impegnata – oltre che in altri ambiti – nello studio e nella produzione di principi attivi per terapie farmacologiche, vede, tra le sue ricerche più recenti, quella sullo sviluppo di farmaci attraverso la modifica genetica di alcune sostanze naturali.

Per farlo, si serve dell’ingegneria metabolica, basata sulla ricostruzione di reti biologiche tipiche del metabolismo, per poi modificarle con l’obiettivo preciso di aumentare la produzione di una determinata sostanza.

Risale a tempi molto antichi, la cognizione degli effetti benefici di alcune sostanze vegetali presenti nell’ambiente: popolazioni di culture diverse, in tutto il mondo, sapevano, ad esempio, che le foglie di alcune piante, se masticate, cotte o strofinate sul corpo, potevano alleviare diversi disturbi fisici.

Oggi, le aziende farmaceutiche importano piante un tempo considerate rare ed estraggono da queste i loro composti chimici attivi per produrre farmaci, tra cui – solo per citarne alcuni – la scopolamina e l’atropina, entrambi ad azione antispastica e sedativa. Ma la pandemia da Covid ha reso difficile le dinamiche import-export, interrompendo, per questioni di sicurezza, le forniture delle foglie e dei frutti di tali piante. Che fare, dunque?

Biotecnologia e ingegneria metabolica: dal lievito ingegnerizzato, una famiglia di alcaloidi tropici

La soluzione a questo tipo di problema proviene da un gruppo di bioingegneri dell’Università di Stanford, in California, il quale è riuscito, in modo del tutto inedito – servendosi delle moderne scienze biotecnologiche e dell’ingegneria genetica – a ricavare dal lievito quei principi attivi normalmente estratti da piante che abbondano nelle regioni tropicali del continente americano.

Nello specifico, attraverso la riprogrammazione genetica del meccanismo cellulare di un particolare tipo di lievito, lo ha trasformato in una fabbrica cellulare microscopica, in grado di convertire zuccheri e amminoacidi in farmaci a base vegetale.

Si tratta di una riprogrammazione con approccio ingegneristico, considerando ciascuna delle singole unità metaboliche di base del lievito come “postazioni di lavoro” di un’ipotetica catena di montaggio: il nucleo è il centro di controllo della fabbrica cellulare, responsabile del processo chimico necessario ad assemblare i composti medicinali.

Le cellule usano gli elettroni per agganciare e sganciare le molecole sulla catena di montaggio della fabbrica cellulare. E ne servono molti per realizzare i prodotti che i bioingegneri di Stanford hanno in mente, ovvero una famiglia di composti chimici complessi chiamati alcaloidi tropanici, sostanze naturali normalmente presenti in alcune piante della famiglia delle Solanaceae, utilizzate da secoli e in grado di interagire con il sistema nervoso umano.

Come produrre scopolamina e iosciamina riprogrammando il meccanismo cellulare del lievito

Più nel dettaglio, gli scienziati di Stanford hanno riprogrammato geneticamente il funzionamento interno delle cellule del lievito, per creare fabbriche chimiche microscopiche atte a produrre due tipologie di alcaloidi tropanici: scopolamina e iosciamina, entrambi farmaci ad azione antispastica e sedativa.

Il team che ha lavorato alla ricerca ha trascorso tre anni apportando un totale di 34 modifiche genetiche al DNA del lievito, per controllare ogni fase del processo di assemblaggio chimico degli alcaloidi tropanici. Il gruppo di lavoro ha progettato con cura le unità e le membrane di cui è composto il lievito ingegnerizzato, per assicurarsi che le loro molecole di alcaloidi tropanici emergano intatte dalla catena di montaggio chimico, in modo che possano, così, essere utili alla produzione di farmaci.

Christina Smolke, docente di bioingegneria e membro del team che ha dato vita alla ricerca, ha co-fondato una startup biotech che concederà in licenza la tecnologia sviluppata da Stanford, per produrre su vasta scala gli alcaloidi tropanici sviluppati modificando geneticamente il lievito. E, a proposito delle piante, ha affermato:

“… sono i migliori chimici del mondo. Intendiamo sfruttare le loro proprietà chimiche uniche, per costruire molecole complesse ispirate al mondo naturale, ma su misura per soddisfare al meglio i bisogni dell’essere umano”