Anti-kræftlægemiddel brygget fra omprogrammeret gær

I sommeren og efteråret 2019 oplevede nogle kræftpatienter afbrydelser i deres behandling. Årsagen var mangel på stofferne vinblastin og vincristin, essentielle kemoterapeutiske lægemidler til flere typer kræft.

Der er ingen alternativer til disse lægemidler, der er isoleret fra bladene fra Madagaskar-periwinkle-planten, Catharanthus roseus. To aktive ingredienser fra planten-vindolin og catharanthin – danner sammen vinblastin, som hæmmer deling af kræftceller.

Selvom planten er almindelig, skal der op til 2000 kg tørrede blade til for at producere 1 g vinblastin. Manglen i 2019, der varede indtil 2021, skyldtes hovedsageligt forsinkelser i leveringen af ​​disse ingredienser.

Et tværfagligt internationalt hold af forskere ledet af DTU-forskere har gensplejset gær til at producere vindolin og katharanthin. De har også formået at rense og koble de to forstadier til vinblastin. Således er en ny, syntetisk tilgang til fremstilling af disse stoffer blevet opdaget. Deres resultater er offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature .

Forskningen kan resultere i nye kilder til vindolin, catharanthin og andre alkaloider, der er helt uafhængige af faktorer, der påvirker afgrødedyrkning, såsom plantesygdomme og naturkatastrofer. Da de essentielle ingredienser til fremstilling af disse forbindelser er bagegær og simple fornyelige substrater som sukkerarter og aminosyrer, er produktionen også mindre sårbar over for pandemier og globale logistiske udfordringer, ifølge seniorforsker ved DTU Biosustain, Jie Zhang, hovedforfatter af det nye papir:

"I de seneste par år har vi set flere tilfælde af mangel på disse lægemidler på markedet. De forekommer oftere og vil højst sandsynligt gentage sig i fremtiden. Vi forestiller os selvfølgelig at etablere nye forsyningskæder for disse og andre molekyler. Dette resultat er et proof of concept, og der er stadig lang vej igen med hensyn til opskalering og yderligere optimering af cellefabrikken til at producere ingredienserne på en omkostningseffektiv måde."

Den mulige nye forsyningskæde for lægemiddel mod kræft

Udover at være den første undersøgelse, der demonstrerer en helt ny forsyningskæde for disse essentielle lægemidler mod kræft, viser undersøgelsen den længste biosyntetiske vej - eller "samlebånd" - indsat i en mikrobiel cellefabrik. Ifølge Jie Zhang er sidstnævnte et lovende resultat i sig selv.

Vinblastin hører til de såkaldte monoterpenindolalkaloider – kort sagt MIA. MIA er meget biologisk aktive og nyttige til behandling af forskellige sygdomme. Imidlertid er de meget komplekse molekyler og derfor vanskelige at fremstille syntetisk. Denne undersøgelse havde til formål at bevise, at forskerne kunne gøre det.

"For at bevise gennemførligheden af ​​mikrobiel fremstilling af alle MIA'er, valgte vi et af de mest komplekse kemikalier, som plantekemien kender. Vi vidste ikke den fulde vej, der var nødvendig for at fremstille vinblastin, da vi startede tilbage i 2015. Vi var heller ikke klar over af de mangler samfundet står over for. Det var den længste vej, vi kendte til, og vi vidste, at den sandsynligvis kodede for 30-noget enzymatiske reaktioner. Den store udfordring var, hvordan man programmerer en enkelt gærcelle med 30 plus-trin og stadig sikrer, at den omprogrammerede celle ville fungere efter behov og samtidig kunne opretholde sig selv. Det var hovedudfordringen og den største del af vores forskning. Det var slet ikke ligetil," siger Jie Zhang.

Michael Krogh Jensen, seniorforsker ved DTU og en af ​​de tilsvarende forfattere til undersøgelsen, tilføjer:"Vi skal sætte det rigtige 'personale' langs cellens samlebånd. Vi har også brug for supplering fra andre samlebånd, der allerede er i gærcellen for at lave det fungerer problemfrit. Vi har brug for det, der kaldes co-faktorer. Du skal også sørge for, at udgangsmaterialet samtidig er på plads til andre væsentlige funktioner i cellen."

Holdet udførte seksoghalvtreds genetiske redigeringer for at programmere den 31-trins biosyntetiske vej ind i bagegær. Selvom arbejdet var vanskeligt, og der er behov for mere arbejde, forventer forfatterne, at gærceller vil være en skalerbar platform til at producere mere end 3.000 naturligt forekommende MIA'er og millioner af nye analoger i naturen i fremtiden.

"I dette projekt ledte vi efter nye måder at fremstille kompleks kemi, der er afgørende for menneskers sundhed, selvom teknologien også kan være nyttig inden for landbrug og materialevidenskab. Bioteknologi tilbyder noget spændende, fordi kemisk syntese er svær at skalere, og naturressourcerne er begrænsede Vi mener, at der er behov for en tredje tilgang:Fermentering eller helcellefremstilling. De samlebånd, der er kendt fra naturen, er sat ind i mikrobielle celler og giver cellerne mulighed for at producere nogle af disse komplekse kemikalier," siger Michael Krogh Jensen.

Ifølge forfatterne er blandt de mange nye væsentlige MIA'er, der nu kan blive produceret baseret på deres nye platform, de kemoterapeutiske lægemidler vincristin, irinotecan og topotecan. Som alle også er på Verdenssundhedsorganisationens liste over væsentlige lægemidler sammen med vinblastin.

Forskningen understreger yderligere den seneste udvikling inden for syntetisk biologi, hvor manipuleret gær bruges til medicinproduktion. Andre molekyler, som cellefabrikker nu kan producere, omfatter potentielle lægemidler til behandling af kræft, smerte, malaria og Parkinsons sygdom.

At producere medicin, der ellers er hentet fra planter i fermenteringsbeholdere i industriel skala, ved hjælp af billige og vedvarende substrater, kan afhjælpe fremtidige mangler og skabe en mere bæredygtig økonomi uafhængig af opdrættede eller sjældne organismer.

Tilsvarende forfatter Jay D. Keasling, professor i kemi- og biomolekylær ingeniørvidenskab ved University of California, Berkeley og videnskabelig direktør ved DTU Biosustain, har længe været en pioner inden for syntetisk biologi i at bruge det til at producere essentielle molekyler. Eksempel:I 2003 udviklede han med succes E. coli-bakterier til at producere en forløber for artemisinin, et lægemiddel mod malaria. Senere ville han konstruere hele vejen til gærceller, ligesom gærceller nu kan bruges til at producere vindolin og catharanthin.

"Den metaboliske vej, som vi konstruerede i gær, er den længste biosyntetiske vej, der nogensinde er blevet rekonstitueret i en mikroorganisme. Dette arbejde viser, at meget lange og komplicerede metaboliske veje kan tages fra næsten enhver organisme og rekonstitueres i gær for at levere meget nødvendige terapeutiske midler, der er for komplicerede til at syntetisere ved hjælp af syntetisk kemi. Fordi gær i sagens natur er skalerbar, kan denne konstruerede gær en dag levere vinblastin såvel som de 3.000 andre relaterede molekyler i denne familie af naturlige produkter. Dette vil ikke kun øge udbuddet og reducere omkostningerne ved disse produkter til forbrugerne, men produktionen er også miljøvenlig, fordi den eliminerer behovet for at høste nogle gange sjældne planter fra følsomme økosystemer for at opnå molekylerne." + Udforsk yderligere

Milepælsforskning i Madagaskar-periwinkle afslører vej til kræftbekæmpende medicin