酵母中的多步驟生物合成過程廉價(jià)地生產(chǎn)出一種昂貴的佐劑，現(xiàn)在從樹皮中提取。
正如在最近的大流行期間所證明的那樣，疫苗可以挽救生命，但大多數(shù)疫苗(包括Novavax COVID-19疫苗)的一個(gè)成分卻沒有得到宣傳:一種分子或其他化合物，可使免疫系統(tǒng)對(duì)感染形成更強(qiáng)大的防御。
這些所謂的佐劑添加量很小，但有很大的保護(hù)作用，特別是對(duì)免疫系統(tǒng)不成熟的嬰兒和免疫反應(yīng)下降的老年人。
然而，其中一種最強(qiáng)的佐劑是智利皂皮植物的提取物，它很難生產(chǎn)，每公斤(2.2磅)要花費(fèi)數(shù)億美元。
合成生物學(xué)的突破
加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)用合成生物學(xué)的力量，在酵母中生產(chǎn)出肥皂樹皮的活性成分，一種名為QS-21的分子。在酵母中生產(chǎn)這種化合物不僅更便宜，而且更環(huán)保，避免了從植物中提取化合物所需的許多腐蝕性和有毒化學(xué)物質(zhì)。
雖然以酵母為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程的產(chǎn)量仍然很小——一升肉湯的產(chǎn)量只有幾百美元——但這一壯舉有望使最有效的佐劑之一得到更廣泛的應(yīng)用，并降低疫苗的成本。
合成生物學(xué)家將皂樹皮樹和其他生物的基因插入酵母中，創(chuàng)造了一種生物合成途徑，用于制造一種名為QS-21的復(fù)雜分子，這是一種用于疫苗的強(qiáng)效佐劑。背景圖為QS-21的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)和生物分子工程教授、伯克利實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家Jay Keasling說:“在流感大流行期間，公共衛(wèi)生官員真的很擔(dān)心QS-21佐劑的可用性，因?yàn)樗粊碜砸豢脴?。從世界健康的角度來看，我們非常需要這種佐劑的替代來源。”
Keasling說，QS-21的生產(chǎn)涉及將來自6種生物的38種不同基因插入酵母中，這是迄今為止移植到任何生物體內(nèi)最長(zhǎng)的生物合成途徑之一。
前加州大學(xué)伯克利分校博士后Yuzhong Liu說:“在酵母中生產(chǎn)強(qiáng)效疫苗佐劑QS-21，突出了合成生物學(xué)在解決主要環(huán)境和人類健康挑戰(zhàn)方面的力量。”劉宇忠是該論文的第一作者，現(xiàn)在是加州拉霍亞市斯克里普斯研究所的助理教授。
研究結(jié)果將發(fā)表在5月8日的《Nature》雜志上。
以防治瘧疾工作為基礎(chǔ)
在疫苗中添加佐劑的好處最早是在20世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)明礬——一種鋁鹽——被發(fā)現(xiàn)可以提高白喉疫苗的效力。此后，明礬被添加到許多疫苗中，這些疫苗使用病原體的一部分(盡管不是感染性部分)來誘導(dǎo)免疫。由于佐劑使疫苗更有效，它們也允許醫(yī)生使用更小劑量的活性成分，稱為抗原。
明礬被發(fā)現(xiàn)可以提高疫苗的效力后不久，一組類似肥皂的分子也被發(fā)現(xiàn)具有同樣的功效。到20世紀(jì)60年代，研究人員集中研究了智利皂皮樹(Quillaja saponaria)的一種提取物，這種提取物能強(qiáng)烈激活免疫系統(tǒng)的不同成分，從而增強(qiáng)單獨(dú)注射疫苗抗原的效果。在過去的25年里，這種提取物的一種成分——QS-21——一直是疫苗中主要的非鋁佐劑之一，已經(jīng)在120多項(xiàng)臨床試驗(yàn)中進(jìn)行了測(cè)試。它存在于老年人接種的帶狀皰疹疫苗(Shingrix)、目前用于兒童預(yù)防惡性瘧原蟲的瘧疾疫苗(moquirix)和Novavax SARS-COVID-19疫苗中。
今天的QS-21是通過剝?nèi)淦?，化學(xué)提取和分離其中的許多化合物而制成的，其中一些是有毒的。雖然QS-21是一個(gè)包含一個(gè)萜烯核和八個(gè)糖分子的復(fù)雜分子，但它已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室合成。但這種合成需要79個(gè)不同的步驟，從一種中間化學(xué)物質(zhì)開始，它本身必須被合成。
Keasling是位于加州埃Emeryville的美國(guó)能源部資助的聯(lián)合生物能源研究所(JBEI)的首席執(zhí)行官，他被要求嘗試在酵母中重現(xiàn)合成過程，因?yàn)樗嗄陙硪恢敝铝τ谙蚪湍钢刑砑踊?，使其產(chǎn)生萜烯化合物，其中包括抗瘧疾藥物青蒿素，以及氣味和調(diào)味劑。萜烯化合物，就像那些負(fù)責(zé)松樹氣味的化合物，通常是芳香的“這項(xiàng)工作建立在我們的瘧疾工作的基礎(chǔ)上，”他說。“我們致力于瘧疾治療?，F(xiàn)在，這可能是未來瘧疾疫苗的輔助劑。”
事實(shí)證明，添加八種糖具有挑戰(zhàn)性，平衡酵母中酶之間意想不到的相互作用也是如此。所有這些都必須在不破壞酵母生長(zhǎng)所需的關(guān)鍵代謝途徑的情況下完成。
“它有八個(gè)糖，中間有一個(gè)萜類化合物。我的意思是，它使青蒿素生物合成途徑看起來一文不值。我很高興合成生物學(xué)已經(jīng)走了這么遠(yuǎn)，我們現(xiàn)在可以建立一個(gè)途徑來生產(chǎn)像QS-21這樣的分子。這證明了該領(lǐng)域在過去20年里取得了多大的進(jìn)步。”
他和他的實(shí)驗(yàn)室同事在Liu博士后的帶領(lǐng)下，與英國(guó)約翰英納斯中心的植物研究員Anne Osbourn密切合作。Osbourn早些時(shí)候梳理出了許多涉及到皂皮樹生產(chǎn)天然QS-21的酶促步驟。在過去的五年里，隨著Osbourn在這個(gè)過程中發(fā)現(xiàn)了新的步驟，并在煙草植物上進(jìn)行了測(cè)試，Keasling的實(shí)驗(yàn)室逐漸將這些新基因添加到酵母中，以復(fù)制合成步驟。
“這是一次偉大的合作，因?yàn)橐坏┧谕緩街蝎@得了一個(gè)新的基因，他們就會(huì)把它發(fā)送給我們，我們就會(huì)把它放入酵母中，”Keasling說。
今年早些時(shí)候，Osbourn和Keasling發(fā)表了完整的20步流程，通過該流程，肥皂樹可以在煙草中重新合成QS-21。不幸的是，煙草是植物化學(xué)的試驗(yàn)臺(tái)，而不是一種可擴(kuò)展的生產(chǎn)化合物的方法。
這篇新論文在酵母中重現(xiàn)了這一過程，并增加了額外的步驟，因?yàn)榻湍覆缓参镏刑烊淮嬖诘囊恍┟?。目前，一升發(fā)酵的生物工程酵母可以在三天內(nèi)產(chǎn)生大約100微克的QS-21，市場(chǎng)價(jià)值約為200美元。但酵母的生物合成是可擴(kuò)展的。
“即使在我們生產(chǎn)的水平上，它也比從工廠生產(chǎn)便宜，”Keasling說。
他說，這種工程酵母只以糖為食，這是一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)。“我的全部想法是，我想用一顆糖來做所有的東西。我只想給酵母喂葡萄糖，因?yàn)樽罱K我們想要這個(gè)過程規(guī)?；?。如果你給他們提供一堆花哨的中間體，那么它將導(dǎo)致一個(gè)不可擴(kuò)展的過程，”Keasling說。“最后，我想從葡萄糖開始，這樣當(dāng)生產(chǎn)在大型水箱中進(jìn)行時(shí)，他們就能盡可能容易和廉價(jià)地生產(chǎn)出QS-21。”
雖然Keasling計(jì)劃將大規(guī)模生產(chǎn)過程的優(yōu)化留給其他人，但他確實(shí)希望調(diào)整他引入酵母的酶促步驟，以產(chǎn)生可能比QS-21更有效的QS-21變體。酵母生物合成使他能夠?qū)S-21分子進(jìn)行修剪實(shí)驗(yàn)，看看哪些部分可以在不改變分子有效性的情況下被去除。
參考文獻(xiàn):“Complete biosynthesis of QS-21 in engineered yeast” 8 May 2024, Nature.
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-5） | 
