酵母中的多步驟生物合成過程廉價地生產(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)對感染形成更強大的防御。
這些所謂的佐劑添加量很小，但有很大的保護作用，特別是對免疫系統(tǒng)不成熟的嬰兒和免疫反應下降的老年人。
然而，其中一種最強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)要花費數(shù)億美元。
合成生物學的突破
加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)運用合成生物學的力量，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物質。
雖然以酵母為基礎的生產(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用，并降低疫苗的成本。
合成生物學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的復雜分子，這是一種用于疫苗的強效佐劑。背景圖為QS-21的化學結構。
加州大學伯克利分?；瘜W和生物分子工程教授、伯克利實驗室高級科學家Jay Keasling說:“在流感大流行期間，公共衛(wèi)生官員真的很擔心QS-21佐劑的可用性，因為它只來自一棵樹。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最長的生物合成途徑之一。
前加州大學伯克利分校博士后Yuzhong Liu說:“在酵母中生產(chǎn)強效疫苗佐劑QS-21，突出了合成生物學在解決主要環(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
在疫苗中添加佐劑的好處最早是在20世紀20年代發(fā)現(xiàn)的，當時明礬——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，這種提取物能強烈激活免疫系統(tǒng)的不同成分，從而增強單獨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多項臨床試驗中進行了測試。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是通過剝去樹皮，化學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是一個包含一個萜烯核和八個糖分子的復雜分子，但它已經(jīng)在實驗室合成。但這種合成需要79個不同的步驟，從一種中間化學物質開始，它本身必須被合成。
Keasling是位于加州埃Emeryville的美國能源部資助的聯(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，因為他多年來一直致力于向酵母中添加基因，使其產(chǎn)生萜烯化合物，其中包括抗瘧疾藥物青蒿素，以及氣味和調味劑。萜烯化合物，就像那些負責松樹氣味的化合物，通常是芳香的“這項工作建立在我們的瘧疾工作的基礎上，”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所需的關鍵代謝途徑的情況下完成。
“它有八個糖，中間有一個萜類化合物。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已經(jīng)走了這么遠，我們現(xiàn)在可以建立一個途徑來生產(chǎn)像QS-21這樣的分子。這證明了該領域在過去20年里取得了多大的進步。”
他和他的實驗室同事在Liu博士后的帶領下，與英國約翰英納斯中心的植物研究員Anne Osbourn密切合作。Osbourn早些時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在這個過程中發(fā)現(xiàn)了新的步驟，并在煙草植物上進行了測試，Keasling的實驗室逐漸將這些新基因添加到酵母中，以復制合成步驟。
“這是一次偉大的合作，因為一旦她在途徑中獲得了一個新的基因，他們就會把它發(fā)送給我們，我們就會把它放入酵母中，”Keasling說。
今年早些時候，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，煙草是植物化學的試驗臺，而不是一種可擴展的生產(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，因為酵母不含植物中天然存在的一些酶。目前，一升發(fā)酵的生物工程酵母可以在三天內產(chǎn)生大約100微克的QS-21，市場價值約為200美元。但酵母的生物合成是可擴展的。
“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，這是一個額外的優(yōu)勢。“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，因為最終我們想要這個過程規(guī)模化。如果你給他們提供一堆花哨的中間體，那么它將導致一個不可擴展的過程，”Keasling說。“最后，我想從葡萄糖開始，這樣當生產(chǎn)在大型水箱中進行時，他們就能盡可能容易和廉價地生產(chǎn)出QS-21。”
雖然Keasling計劃將大規(guī)模生產(chǎn)過程的優(yōu)化留給其他人，但他確實希望調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對QS-21分子進行修剪實驗，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:“Complete biosynthesis of QS-21 in engineered yeast” 8 May 2024, Nature.
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-5） | 
