En adjuvans fremstillet i gær kunne sænke vaccineomkostningerne og øge tilgængeligheden

Vacciner redder liv, som bevist under den seneste pandemi, men en komponent i de fleste vacciner – inklusive Novavax COVID-19-vaccinen – er upåvirket:et molekyle eller en anden forbindelse, der sætter immunsystemet i stand til at etablere et mere robust forsvar mod infektion.

Disse såkaldte adjuvanser tilsættes i små mængder, men har en stor beskyttende effekt, især hos spædbørn med umodne immunsystemer og ældre mennesker med et faldende immunrespons.

Alligevel er et af de stærkeste hjælpestoffer, et ekstrakt af den chilenske sæbebarkplante, så vanskelig at producere, at det koster flere hundrede millioner dollars pr. kilogram (2,2 pund).

Forskere fra University of California, Berkeley og Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har nu brugt den syntetiske biologis kraft til at producere den aktive ingrediens i sæbebark, et molekyle kaldet QS-21, i gær. At producere forbindelser som disse i gær er ikke kun billigere, men mere miljøvenlige, og man undgår mange af de ætsende og giftige kemikalier, der er nødvendige for at udvinde forbindelsen fra planter. Resultaterne blev offentliggjort den 8. maj i tidsskriftet Nature .

Selvom udbyttet fra den gærbaserede proces stadig er lille - for et par hundrede dollars fra en liter bouillon - lover bedriften at gøre en af ​​de mest effektive adjuvanser tilgængelige mere bredt og at sænke prisen på vacciner generelt.

"Under pandemien var sundhedspersonale virkelig bekymrede for tilgængeligheden af ​​QS-21-adjuvans, fordi det kun kommer fra ét træ," sagde Jay Keasling, professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved UC Berkeley og seniorforsker ved Berkeley Lab. "Fra et verdenssundhedsperspektiv er der et stort behov for en alternativ kilde til denne adjuvans."

Produktionen af ​​QS-21 involverede indsættelse af 38 forskellige gener fra seks organismer i gær - opbygning af en af ​​de længste biosyntetiske veje, der nogensinde er transplanteret ind i en organisme, sagde Keasling.

"Produktionen af ​​den potente vaccineadjuvans QS-21 i gær fremhæver den syntetiske biologis kraft til at løse både store miljømæssige såvel som menneskelige sundhedsudfordringer," sagde tidligere UC Berkeley postdoc-stipendiat Yuzhong Liu, første forfatter af papiret og nu en assisterende professor ved Scripps Research i La Jolla, Californien.

Bygger på malariaarbejde

Fordelen ved at tilføje en adjuvans til en vaccine blev først bemærket i 1920'erne, da alun - et aluminiumsalt - blev opdaget for at øge effektiviteten af ​​en difterivaccine. Alun er siden blevet tilføjet til mange vacciner, der bruger en del af et patogen - men ikke den infektiøse del - til at inducere immunitet. Fordi adjuvanser gør vacciner mere effektive, giver de også læger mulighed for at bruge mindre doser af den aktive ingrediens, kaldet et antigen.

Ikke længe efter, at alun blev opdaget for at øge effektiviteten af ​​vacciner, blev en gruppe sæbelignende molekyler fundet at gøre det samme. I 1960'erne havde forskerne fokuseret på et ekstrakt af det chilenske sæbebarktræ (Quillaja saponaria), der kraftigt aktiverer forskellige komponenter i immunsystemet for at forstærke effekten af ​​at give et vaccineantigen alene.

I de sidste 25 år har en komponent af dette ekstrakt - QS-21 - været en af ​​de vigtigste ikke-aluminiumadjuvanser i vacciner, efter at være blevet testet i mere end 120 kliniske forsøg. Det findes i helvedesildsvaccinen (Shingrix) givet til ældre voksne, en malariavaccine (Mosquirix), der i øjeblikket bruges til børn for at beskytte mod parasitten Plasmodium falciparum, og Novavax SARS-COVID-19-vaccinen.

QS-21 fremstilles i dag ved at fjerne bark fra træet og kemisk udvinde og adskille dets mange forbindelser, hvoraf nogle er giftige. Selvom QS-21 er et komplekst molekyle, der indeholder en terpenkerne og otte sukkermolekyler, er det blevet syntetiseret i laboratoriet. Men den syntese tager 79 separate trin, startende fra et mellemliggende kemikalie, der selv skal syntetiseres.

Keasling, som er administrerende direktør for Joint BioEnergy Institute (JBEI) i Emeryville, Californien, blev bedt om at forsøge at genskabe synteseprocessen i gær, fordi han i årevis har arbejdet med at tilføje gener til gær for at få dem til at lave terpenforbindelser, bl.a. dem artemisinin, et lægemiddel mod malaria, men også dufte og smagsstoffer. Terpenforbindelser, ligesom dem, der er ansvarlige for duften af ​​fyrretræer, er ofte duftende.

"Dette arbejde bygger på vores malariaarbejde," sagde han. "Vi arbejdede på malariabehandlingen. Nu kan dette være en adjuvans til malariavaccinerne i fremtiden."

Tilsætning af de otte sukkerarter viste sig at være udfordrende, ligesom at afbalancere uanede interaktioner mellem enzymer i gær. Alt dette skulle opnås uden at afbryde kritiske metaboliske veje, som er nødvendige for gærvækst.

"Den har otte sukkerarter og en terpenoid i midten. Jeg mener, det får artemisinin biosyntesevejen til at ligne ingenting," sagde Keasling. "Jeg er glad for, at syntetisk biologi er nået så langt, at vi nu kan bygge en vej til at producere et molekyle som QS-21. Det er et vidnesbyrd om, hvor langt feltet er gået i de sidste to årtier."

Han og hans laboratoriekolleger, ledet af postdoc Liu, arbejdede tæt sammen med planteforsker Anne Osbourn ved John Innes Center i Storbritannien. Osbourn havde tidligere drillet de mange enzymatiske trin involveret i sæbebarktræets produktion af naturlig QS-21. I løbet af de sidste fem år, da Osbourn opdagede nye trin i processen og testede dem i tobaksplanter, tilføjede Keaslings laboratorium gradvist disse nye gener til gær for at replikere de syntetiske trin.

"Det var et fantastisk samarbejde, for så snart hun havde fået et nyt gen i vejen, ville de sende det vores vej, og vi ville putte det i gær," sagde Keasling. "Det var også godt for hende, fordi hun fik en test af, om hendes tobaksanalyse fortalte hende det rigtige."

'Alt fra et enkelt sukker'

Tidligere i år offentliggjorde Osbourn og Keasling den komplette 20-trins proces, hvorved sæbebarktræet fremstiller QS-21, rekonstitueret i tobak. Desværre er tobak et testbed for plantekemi, men ikke en skalerbar måde at fremstille en kemisk forbindelse på.

Det nye papir rekonstituerer denne proces i gær, med yderligere trin tilføjet, fordi gær ikke indeholder nogle enzymer, der naturligt findes i planter. I øjeblikket kan en liter af den gærende bioteknologiske gær producere omkring 100 mikrogram QS-21 på tre dage, med en markedsværdi på omkring 200 $. Men gærbiosyntese er skalerbar.

"Selv på det niveau, vi producerer det, er det billigere end at producere det fra fabrikken," sagde Keasling.

Den konstruerede gær lever kun af sukker, hvilket er en ekstra fordel, sagde han.

"Hele min sag er, at jeg vil lave alt fra et enkelt sukker. Jeg vil bare fodre gærglukose, for til sidst vil vi gerne have, at denne proces skal skaleres. Og hvis du fodrer dem med en masse smarte mellemprodukter, så vil det resultere i i en proces, der ikke er skalerbar," sagde Keasling. "I sidste ende vil jeg gerne starte med glukose, så når produktionen udføres i store tanke, er de i stand til at producere QS-21 så nemt og billigt som muligt."

Mens Keasling planlægger at overlade optimering af processen til produktion i stor skala til andre, håber han på at tilpasse de enzymatiske trin, han har indført i gær, for at producere varianter af QS-21, der potentielt kan være mere effektive end QS-21. Og gærbiosyntese giver ham mulighed for at eksperimentere med at beskære QS-21-molekylet for at se, hvilke dele der kan elimineres uden at ændre molekylets effektivitet.

Flere oplysninger: Jay Keasling, Komplet biosyntese af QS-21 i konstrueret gær, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07345-9. www.nature.com/articles/s41586-024-07345-9

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of California - Berkeley