Прорив у синтетичній біології відкриває шлях до дешевших вакцин

Багатоступінчастий процес біосинтезу в дріжджах дешево виробляє дорогий ад’ювант, який зараз витягують із кори дерева. Вакцини рятують життя, як було доведено під час нещодавньої пандемії, але один компонент більшості вакцин — включно з вакциною Novavax проти COVID-19 — залишається непоміченим: молекула або інша сполука, яка стимулює імунну систему для встановлення більш надійного захисту від інфекції.

Ці так звані ад’юванти додаються в невеликих кількостях, але мають великий захисний ефект, особливо у немовлят із незрілою імунною системою та літніх людей з ослабленою імунною відповіддю. Проте один із найсильніших ад’ювантів, екстракт чилійської мильної кори, виробляти настільки важко, що він коштує кілька сотень мільйонів доларів за кілограм (2,2 фунта).

Прорив у синтетичній біології

Університет Каліфорнії в Берклі та вчені Національної лабораторії імені Лоуренса Берклі (Berkeley Lab) тепер використали потужність синтетичної біології для отримання активного інгредієнта кори мила, молекули під назвою QS-21, у дріжджах. Виробництво подібних сполук у дріжджах не тільки дешевше, але й екологічніше, уникаючи багатьох їдких і токсичних хімікатів, необхідних для вилучення сполуки з рослин.

Хоча вихід дріжджового процесу все ще невеликий — кілька сотень доларів з літру бульйону, цей подвиг обіцяє зробити один із найефективніших ад’ювантів більш доступним і знизити вартість вакцин загалом.

«Під час пандемії працівники охорони здоров’я дуже хвилювалися щодо наявності ад’юванту QS-21, оскільки він походить лише з одного дерева», — сказав Джей Кізлінг, професор хімічної та біомолекулярної інженерії Каліфорнійського університету в Берклі та старший науковий співробітник лабораторії Берклі. «З погляду світової охорони здоров’я, існує велика потреба в альтернативному джерелі цього ад’юванта».

Виробництво QS-21 передбачало вбудовування 38 різних генів із шести організмів у дріжджі — побудова одного з найдовших біосинтетичних шляхів, коли-небудь трансплантованих будь-якому організму, сказав Кіслінг.

«Виробництво потужного ад’юванта вакцини QS-21 у дріжджах підкреслює потужність синтетичної біології для вирішення основних проблем як навколишнього середовища, так і здоров’я людей», — сказав колишній докторант Каліфорнійського університету в Берклі Юйжун Лю, перший автор статті, а зараз асистент професора Scripps Research в Ла-Хойя, Каліфорнія.

Робота над малярією

Переваги додавання ад’юванту до вакцини вперше були помічені в 1920-х роках, коли було виявлено, що галун — сіль алюмінію — підвищує ефективність вакцини проти дифтерії. З того часу галун додають до багатьох вакцин, які використовують частину збудника, але не інфекційну частину, щоб викликати імунітет. Оскільки ад’юванти роблять вакцини ефективнішими, вони також дозволяють лікарям використовувати менші дози активного інгредієнта, який називається антигеном.

Невдовзі після того, як було виявлено, що галун підвищує ефективність вакцин, виявилося, що група милоподібних молекул робить те саме. До 1960-х років дослідники зосередилися на екстракті чилійської мильної кори (Quillaja saponaria), який сильно активує різні компоненти імунної системи для посилення ефекту введення вакцинного антигену. Протягом останніх 25 років один компонент цього екстракту — QS-21 — був одним з основних неалюмінієвих ад’ювантів у вакцинах, пройшовши випробування у понад 120 клінічних випробуваннях. Він міститься у вакцині проти оперізуючого лишаю (Shingrix), яку дають людям похилого віку, у вакцині проти малярії (Mosquirix), яка зараз використовується у дітей для захисту від паразита  Plasmodium falciparum, і у вакцині Novavax проти SARS-COVID-19.

Сьогодні QS-21 виробляють шляхом здирання кори з дерева та хімічного вилучення та відділення багатьох сполук, деякі з яких є токсичними. Хоча QS-21 є складною молекулою, що містить терпенове ядро ​​та вісім молекул цукру, її синтезували в лабораторії. Але цей синтез займає 79 окремих етапів, починаючи з проміжної хімічної речовини, яка сама повинна бути синтезована.

Кіслінга, який є генеральним директором Об’єднаного інституту біоенергетики США (JBEI) в Емерівілі, Каліфорнія, який фінансується Міністерством енергетики США, попросили спробувати відтворити процес синтезу в дріжджах, оскільки він роками працював над додаванням генів у дріжджі, щоб отримати їх, щоб виробляти терпенові сполуки, серед яких артемізинін, протималярійний препарат, а також аромати та ароматизатори. Терпенові сполуки, подібно до тих, що відповідають за запах соснових дерев, часто мають аромат.

«Ця робота базується на нашій роботі з малярією», — сказав він. «Ми працювали над терапією малярії. Тепер це може бути ад’ювантом для вакцин проти малярії в майбутньому».

Додавання восьми цукрів виявилося складним завданням, як і збалансування несподіваних взаємодій між ферментами в дріжджах. Усе це мало бути зроблено без порушення критичних метаболічних шляхів, необхідних для росту дріжджів.

«Він містить вісім цукрів і терпеноїд посередині. Я маю на увазі, що це робить шлях біосинтезу артемізиніну схожим на ніщо», — сказав Кіслінг. «Я радий, що синтетична біологія просунулася так далеко, що тепер ми можемо побудувати шлях для виробництва молекули, як QS-21. Це свідчення того, наскільки далеко просунулася ця сфера за останні два десятиліття».

Він та його колеги з лабораторії на чолі з постдокторантом Лю тісно співпрацювали з дослідницею рослин Енн Осборн із Центру Джона Іннеса у Великобританії. Раніше Осборн описав багато ферментативних етапів виробництва натурального QS-21 у мильній корі. Протягом останніх п’яти років, коли Осборн відкривав нові етапи процесу і тестував їх на рослинах тютюну, лабораторія Кізлінга поступово додавала ці нові гени до дріжджів, щоб відтворити синтетичні етапи.

«Це була чудова співпраця, тому що щойно вона отримувала новий ген у шляху, вони надсилали його нам, і ми додавали його в дріжджі», — сказав Кіслінг. «Це також було добре для неї, тому що вона пройшла тест, щоб перевірити, чи її аналіз на тютюн показав їй правильні речі».

«Все від одного цукру»

На початку цього року Осборн і Кіслінг  опублікували повний 20-етапний процес,  за допомогою якого мильна кора виробляє QS-21, відновлений в тютюні. На жаль, тютюн є випробувальним стендом для хімії рослин, але не масштабованим способом виробництва хімічної сполуки.

Нова стаття відтворює цей процес у дріжджах із додаванням додаткових етапів, оскільки дріжджі не містять деяких ферментів, які природно існують у рослинах. Зараз літр ферментованих біоінженерних дріжджів може виробляти близько 100 мікрограмів QS-21 за три дні, ринкова вартість якого становить близько 200 доларів. Але біосинтез дріжджів масштабується.

«Навіть на тих рівнях, які ми виробляємо, це дешевше, ніж виробництво на заводі», — сказав Кізлінг.

За його словами, інженерні дріжджі живляться лише цукром, що є додатковою перевагою.

«Я хочу робити все з одного цукру. Я просто хочу нагодувати дріжджі глюкозою, тому що зрештою ми хочемо, щоб цей процес був масштабований. І якщо ви нагодуєте їх купою химерних проміжних продуктів, то це призведе до процесу, який не можна масштабувати», – сказав Кіслінг. «Зрештою, я хотів би почати з глюкози, тому, коли виробництво здійснюється у великих резервуарах, вони можуть виробляти QS-21 якомога легше та дешевше».

У той час як Keasling планує залишити оптимізацію процесу для великомасштабного виробництва іншим, він сподівається налаштувати ферментативні етапи, які він ввів у дріжджі, щоб отримати варіанти QS-21, які потенційно можуть бути ефективнішими, ніж QS-21. А біосинтез дріжджів дозволяє йому експериментувати з обрізанням молекули QS-21, щоб побачити, які частини можна усунути, не змінюючи ефективності молекули.