Sommaren och hösten 2019 upplevde vissa cancerpatienter avbrott i sin behandling. Orsaken var brist på läkemedlen vinblastin och vinkristin, viktiga kemoterapeutiska läkemedel mot flera typer av cancer.

Det finns inga alternativ till dessa läkemedel som är isolerade från bladen på Madagaskar snäckan, Catharanthus roseus. Två aktiva ingredienser från växten vindolin och katarantin – bildar tillsammans vinblastin, som hämmar uppdelningen av cancerceller.

Även om växten är vanlig behövs uppemot 2000 kg torkade löv för att producera 1 g vinblastin. 2019 års brist som varade fram till 2021 orsakades främst av förseningar i leveransen av dessa ingredienser.

Ett tvärvetenskapligt internationellt team av forskare ledda av DTU-forskare har genmanipulerat jäst för att producera vindolin och katarantin. De har också lyckats rena och koppla ihop de två prekursorerna för att bilda vinblastin. Således har ett nytt, syntetiskt tillvägagångssätt för att göra dessa droger upptäckts. Deras resultat publiceras idag i tidskriften Nature .

Forskningen kan resultera i nya källor till vindolin, katharantin och andra alkaloider som är helt oberoende av faktorer som påverkar växtodlingen, såsom växtsjukdomar och naturkatastrofer. Eftersom de väsentliga ingredienserna för att tillverka dessa föreningar är bagerijäst och enkla förnybara substrat som socker och aminosyror, är produktionen också mindre sårbar för pandemier och globala logistikutmaningar, enligt seniorforskare vid DTU Biosustain, Jie Zhang, huvudförfattare till den nya papper:

"Under de senaste åren har vi sett flera fall av brist på dessa läkemedel på marknaden. De förekommer oftare och kommer med största sannolikhet att återkomma i framtiden. Naturligtvis ser vi för oss att etablera nya leveranskedjor för dessa och andra molekyler. Detta resultat är ett proof of concept, och det är fortfarande en lång väg kvar att gå när det gäller uppskalning och ytterligare optimering av cellfabriken för att producera ingredienserna på ett kostnadseffektivt sätt."

Den möjliga nya leveranskedjan för läkemedel mot cancer

Förutom att vara den första studien som visar en helt ny försörjningskedja för dessa viktiga läkemedel mot cancer, visar studien upp den längsta biosyntetiska vägen - eller "sammansättningslinjen" - insatt i en mikrobiell cellfabrik. Enligt Jie Zhang är det senare ett lovande resultat i och för sig.

Vinblastin tillhör de så kallade monoterpenindolalkaloiderna – kort sagt MIA. MIA är mycket biologiskt aktiva och användbara vid behandling av olika sjukdomar. Men de är mycket komplexa molekyler och därför svåra att framställa syntetiskt. Denna studie syftade till att bevisa att forskarna kunde göra det.

"För att bevisa genomförbarheten av mikrobiell tillverkning av alla MIA valde vi en av de mest komplexa kemikalierna som är kända för växtkemin. Vi visste inte hela vägen som behövdes för att göra vinblastin när vi började redan 2015. Vi var inte heller medvetna om av de brister som samhället står inför. Det var den längsta vägen vi kände till, och vi visste att den sannolikt kodade för 30-någonting enzymatiska reaktioner. Den stora utmaningen var hur man programmerar en enda jästcell med 30 plussteg och ändå säkerställer att den omprogrammerade cellen skulle fungera efter behov samtidigt som den kunde försörja sig själv. Det var den största utmaningen och den största delen av vår forskning. Det var inte helt okomplicerat, säger Jie Zhang.

Michael Krogh Jensen, seniorforskare vid DTU och en av motsvarande författarna till studien, tillägger:"Vi måste sätta rätt "personal" längs cellens löpande band. Vi behöver också tillskott från andra löpande band som redan finns i jästcellen för att göra det fungerar smidigt. Vi behöver det som kallas co-faktorer. Du måste också se till att samtidigt utgångsmaterialet finns på plats för andra väsentliga funktioner i cellen."

Teamet utförde femtiosex genetiska redigeringar för att programmera den 31-stegs biosyntetiska vägen till bagerijäst. Även om arbetet var svårt och mer arbete behövs, förväntar sig författarna att jästceller kommer att vara en skalbar plattform för att producera mer än 3 000 naturligt förekommande MIA och miljontals nya i naturen analoger i framtiden.

"I det här projektet letade vi efter nya sätt att tillverka komplex kemi som är väsentlig för människors hälsa, även om tekniken också kan vara användbar inom jordbruk och materialvetenskap. Bioteknik erbjuder något spännande eftersom kemisk syntes är svår att skala och naturresurserna är begränsade Vi tror att ett tredje tillvägagångssätt behövs:jäsning eller helcellstillverkning. Monteringslinjerna som är kända från naturen är inkopplade i mikrobiella celler och tillåter cellerna att producera några av dessa komplexa kemikalier, säger Michael Krogh Jensen.

Enligt författarna är bland de många nya väsentliga MIA som nu kan produceras baserat på deras nya plattform de kemoterapeutiska läkemedlen vinkristin, irinotekan och topotekan. Alla som också finns på Världshälsoorganisationens lista över viktiga läkemedel tillsammans med vinblastin.

Forskningen understryker ytterligare den senaste utvecklingen inom syntetisk biologi, där manipulerad jäst används för medicinproduktion. Andra molekyler som cellfabriker nu kan producera inkluderar potentiella läkemedel för behandling av cancer, smärta, malaria och Parkinsons sjukdom.

Att producera mediciner som annars kommer från växter i fermentorer i industriell skala med hjälp av billiga och förnybara substrat kan mildra framtida brister och skapa en mer hållbar ekonomi oberoende av odlade eller sällsynta organismer.

Motsvarande författare Jay D. Keasling, professor i kemi- och biomolekylär teknik vid University of California, Berkeley och vetenskaplig chef vid DTU Biosustain, har länge varit en pionjär inom syntetisk biologi när det gäller att använda den för att producera viktiga molekyler. Exempel:2003 utvecklade han framgångsrikt E. coli-bakterier för att producera en prekursor till artemisinin, ett läkemedel mot malaria. Senare skulle han konstruera hela vägen till jästceller, ungefär som jästceller nu kan användas för att producera vindolin och katarantin.

"Den metaboliska vägen som vi konstruerade i jäst är den längsta biosyntetiska vägen som någonsin har rekonstituerats i en mikroorganism. Detta arbete visar att mycket långa och komplicerade metaboliska vägar kan tas från nästan vilken organism som helst och rekonstitueras i jäst för att tillhandahålla välbehövliga terapier som är för komplicerade för att syntetisera med hjälp av syntetisk kemi. Eftersom jäst i sig är skalbar, kan denna konstruerade jäst en dag leverera vinblastin såväl som de 3 000 andra relaterade molekylerna i denna familj av naturprodukter. Detta kommer inte bara att öka utbudet och minska kostnaderna för dessa produkter för konsumenter, men produktionen är också miljövänlig eftersom den eliminerar behovet av att skörda ibland sällsynta växter från känsliga ekosystem för att få fram molekylerna." + Utforska vidare

Milstolpeforskning på Madagaskar snäcka avslöjar vägen till cancerbekämpande läkemedel