Research Abstract


Total biosynthesis of opiates by stepwise fermentation using engineered Escherichia coli

2016年2月5日 Nature Communications 7 : 10390 doi: 10.1038/ncomms10390


モルヒネやコデインは、ケシから抽出して得られるオピエート(麻薬性鎮痛薬)である。微生物におけるオピエートの発酵生産が試みられ、昨年、単純な炭素源からのオピエートの完全合成が酵母で実現された。今回我々は、大腸菌( Escherichia coli)を用いて、効率が高く、頑健であるとともに、柔軟性のある発酵生産プラットフォームを確立した。すなわち、オピエートの一つであり、実用的な鎮痛剤(オピオイド製剤)の最も重要な原料物質であるテバインを、改変した4種の菌株の段階的培養によってグリセロールから生成した。その収量は2.1 mg l-1で、最近開発された酵母システムの300倍に相当した。この収量の向上は、大腸菌において(R)-レチクリンからのテバインの合成に関わる酵素が強い活性を示すことによると考えられる。さらに我々は、このテバイン生産システムに2つの遺伝子を加えることによって、臨床的に重要なオピオイドであるハイドロコドンの生合成を実証した。こうした大腸菌システムにおけるオピエート生産の改善は、オピエートを生産する代替システム開発への大きな一歩である。

Akira Nakagawa, Eitaro Matsumura, Takashi Koyanagi, Takane Katayama, Noriaki Kawano, Kayo Yoshimatsu, Kenji Yamamoto, Hidehiko Kumagai, Fumihiko Sato & Hiromichi Minami

Corresponding Author

南 博道
石川県立大学 生物資源工学研究所 応用微生物学研究室

Opiates such as morphine and codeine are mainly obtained by extraction from opium poppies. Fermentative opiate production in microbes has also been investigated, and complete biosynthesis of opiates from a simple carbon source has recently been accomplished in yeast. Here we demonstrate that Escherichia coli serves as an efficient, robust and flexible platform for total opiate synthesis. Thebaine, the most important raw material in opioid preparations, is produced by stepwise culture of four engineered strains at yields of 2.1mgl−1 from glycerol, corresponding to a 300-fold increase from recently developed yeast systems. This improvement is presumably due to strong activity of enzymes related to thebaine synthesis from (R)-reticuline in E. coli. Furthermore, by adding two genes to the thebaine production system, we demonstrate the biosynthesis of hydrocodone, a clinically important opioid. Improvements in opiate production in this E. coli system represent a major step towards the development of alternative opiate production systems.