Vacciner räddar liv, vilket bevisades under den senaste pandemin, men en komponent i de flesta vacciner – inklusive Novavax COVID-19-vaccinet – är okänd:en molekyl eller annan förening som förbereder immunsystemet för att skapa ett mer robust försvar mot infektion.
Dessa så kallade adjuvanser tillsätts i små mängder men har en stor skyddande effekt, särskilt hos spädbarn med omoget immunsystem och äldre personer med sjunkande immunsvar.
Ändå är ett av de starkaste adjuvanserna, ett extrakt från den chilenska såpbarkväxten, så svår att producera att det kostar flera hundra miljoner dollar per kilogram (2,2 pund).
Forskare från University of California, Berkeley och Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har nu utövat kraften hos syntetisk biologi för att producera den aktiva ingrediensen i tvålbark, en molekyl som kallas QS-21, i jäst. Att producera sådana föreningar i jäst är inte bara billigare, utan mer miljövänligt, och man undviker många av de frätande och giftiga kemikalier som behövs för att extrahera föreningen från växter. Resultaten publicerades den 8 maj i tidskriften Nature .
Även om avkastningen från den jästbaserade processen fortfarande är liten – några hundra dollar från en liter buljong – lovar bedriften att göra ett av de mest effektiva adjuvanserna tillgängliga mer allmänt och att sänka kostnaden för vacciner i allmänhet.
"Under pandemin var folkhälsotjänstemän verkligen oroliga för tillgängligheten av QS-21-adjuvans eftersom det bara kommer från ett träd", säger Jay Keasling, professor i kemisk och biomolekylär teknik vid UC Berkeley och senior forskare vid Berkeley Lab. "Ur ett världshälsoperspektiv finns det ett stort behov av en alternativ källa till detta adjuvans."
Produktionen av QS-21 involverade infogning av 38 olika gener från sex organismer i jäst – vilket bygger en av de längsta biosyntetiska vägarna som någonsin transplanterats in i någon organism, sa Keasling.
"Tillverkningen av det potenta vaccinadjuvansen QS-21 i jäst framhäver kraften i syntetisk biologi för att hantera både stora miljömässiga och mänskliga hälsoutmaningar", säger tidigare postdoktor vid UC Berkeley Yuzhong Liu, förste författare till uppsatsen och nu en biträdande professor vid Scripps Research i La Jolla, Kalifornien.
Fördelen med att lägga till ett adjuvans till ett vaccin noterades först på 1920-talet, när alun – ett aluminiumsalt – upptäcktes öka effektiviteten hos ett difterivaccin. Alun har sedan dess lagts till många vacciner som använder en del av en patogen - men inte den smittsamma delen - för att inducera immunitet. Eftersom adjuvans gör vacciner mer effektiva tillåter de också läkare att använda mindre doser av den aktiva ingrediensen, som kallas antigen.
Inte långt efter att alun upptäcktes för att öka effektiviteten av vacciner, visade sig en grupp tvålliknande molekyler göra detsamma. På 1960-talet hade forskare fokuserat på ett extrakt av det chilenska tvålbarkträdet (Quillaja saponaria) som starkt aktiverar olika komponenter i immunsystemet för att förstärka effekten av att ge enbart ett vaccinantigen.
Under de senaste 25 åren har en komponent i det extraktet - QS-21 - varit ett av de viktigaste adjuvanserna som inte är aluminium i vacciner, efter att ha testats i mer än 120 kliniska prövningar. Det finns i bältrosvaccinet (Shingrix) som ges till äldre vuxna, ett malariavaccin (Mosquirix) som för närvarande används hos barn för att skydda mot parasiten Plasmodium falciparum och Novavax SARS-COVID-19-vaccinet.
QS-21 framställs idag genom att ta bort bark från trädet och kemiskt extrahera och separera dess många föreningar, av vilka några är giftiga. Även om QS-21 är en komplex molekyl som innehåller en terpenkärna och åtta sockermolekyler, har den syntetiserats i laboratoriet. Men den syntesen tar 79 separata steg, utgående från en mellanliggande kemikalie som själv måste syntetiseras.
Keasling, som är VD för Joint BioEnergy Institute (JBEI) i Emeryville, Kalifornien, blev ombedd att försöka återskapa syntesprocessen i jäst eftersom han har arbetat i flera år med att lägga till gener till jäst för att få dem att göra terpenföreningar, bl.a. dem artemisinin, ett läkemedel mot malaria, men också dofter och smakämnen. Terpenföreningar, liksom de som är ansvariga för doften av tallar, är ofta doftande.
"Detta arbete bygger på vårt malariaarbete," sade han. "Vi arbetade med malariabehandlingen. Nu kan detta vara ett tillskott för malariavaccinerna i framtiden."
Att lägga till de åtta sockerarterna visade sig vara utmanande, liksom att balansera oanade interaktioner mellan enzymer i jäst. Allt detta var tvungen att åstadkommas utan att kasta bort kritiska metaboliska vägar som behövs för jästtillväxt.
"Den har åtta sockerarter och en terpenoid i mitten. Jag menar, det gör att den biosyntetiska vägen för artemisinin ser ut som ingenting," sa Keasling. "Jag är glad att syntetisk biologi har kommit så långt att vi nu kan bygga en väg för att producera en molekyl som QS-21. Det är ett bevis på hur långt fältet har gått framåt under de senaste två decennierna."
Han och hans labbkollegor, ledda av postdoktor Liu, arbetade nära växtforskaren Anne Osbourn vid John Innes Center i Storbritannien. Osbourn hade tidigare retat ut de många enzymatiska stegen som är involverade i tvålbarkträdets produktion av naturlig QS-21. Under de senaste fem åren, när Osbourn upptäckte nya steg i processen och testade dem i tobaksväxter, lade Keaslings labb gradvis till dessa nya gener till jäst för att replikera de syntetiska stegen.
"Det var ett fantastiskt samarbete, för så fort hon fick en ny gen i vägen, skickade de den till oss och vi lade den i jäst," sa Keasling. "Det var också bra för henne, eftersom hon fick ett test av om hennes tobaksanalys sa rätt sak för henne."
Tidigare i år publicerade Osbourn och Keasling den kompletta 20-stegsprocessen genom vilken tvålbarkträdet gör QS-21, rekonstituerad i tobak. Tyvärr är tobak en testbädd för växtkemi, men inte ett skalbart sätt att producera en kemisk förening.
Det nya papperet rekonstituerar den processen i jäst, med ytterligare steg lagt till eftersom jäst inte innehåller vissa enzymer som finns naturligt i växter. För närvarande kan en liter av den jäsande biotekniska jästen producera cirka 100 mikrogram QS-21 på tre dagar, med ett marknadsvärde på cirka 200 USD. Men jästbiosyntes är skalbar.
"Även på de nivåer vi producerar det är det billigare än att producera det från anläggningen," sa Keasling.
Den tekniska jästen lever bara på socker, vilket är en extra fördel, sa han.
"Hela min grej är att jag vill göra allt från ett enda socker. Jag vill bara mata jästglukos, för så småningom vill vi att den här processen ska skalas. Och om du matar dem med ett gäng snygga mellanprodukter kommer det att bli resultatet i en process som inte är skalbar," sa Keasling. "I slutändan skulle jag vilja börja med glukos, så när produktionen utförs i stora tankar kan de producera QS-21 så enkelt och billigt som möjligt."
Medan Keasling planerar att överlåta optimering av processen för storskalig produktion till andra, hoppas han kunna justera de enzymatiska stegen han har introducerat i jäst för att producera varianter av QS-21 som potentiellt kan vara mer effektiva än QS-21. Och jästbiosyntes låter honom experimentera med att beskära QS-21-molekylen för att se vilka delar som kan elimineras utan att ändra molekylens effektivitet.
Mer information: Jay Keasling, fullständig biosyntes av QS-21 i teknisk jäst, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07345-9. www.nature.com/articles/s41586-024-07345-9
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of California - Berkeley
