Wetenschap
Een adjuvans gemaakt in gist zou de vaccinkosten kunnen verlagen en de beschikbaarheid kunnen vergroten
Deze zogenaamde adjuvantia worden in kleine hoeveelheden toegevoegd, maar hebben een groot beschermend effect, vooral bij zuigelingen met een onvolgroeid immuunsysteem en ouderen met een afnemende immuunrespons.
Toch is een van de sterkste hulpstoffen, een extract van de Chileense zeepschorsplant, zo moeilijk te produceren dat het honderden miljoenen dollars per kilogram kost.
Wetenschappers van de Universiteit van Californië, Berkeley en het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben nu de kracht van de synthetische biologie gebruikt om het actieve ingrediënt van zeepschors, een molecuul genaamd QS-21, in gist te produceren. Het produceren van dit soort verbindingen in gist is niet alleen goedkoper, maar ook milieuvriendelijker, waardoor veel van de bijtende en giftige chemicaliën worden vermeden die nodig zijn om de verbinding uit planten te extraheren. De resultaten zijn op 8 mei gepubliceerd in het tijdschrift Nature .
Hoewel de opbrengsten van het op gist gebaseerde proces nog steeds klein zijn (een paar honderd dollar uit een liter bouillon), belooft deze prestatie een van de meest effectieve adjuvantia breder beschikbaar te maken en de kosten van vaccins in het algemeen te verlagen. /P>
“Tijdens de pandemie maakten volksgezondheidsfunctionarissen zich grote zorgen over de beschikbaarheid van QS-21-adjuvans, omdat dat maar uit één boom komt”, zegt Jay Keasling, hoogleraar chemische en biomoleculaire technologie aan de UC Berkeley en senior faculteitswetenschapper aan het Berkeley Lab. "Vanuit het perspectief van de wereldgezondheid is er veel behoefte aan een alternatieve bron van dit adjuvans."
De productie van QS-21 omvatte het inbrengen van 38 verschillende genen uit zes organismen in gist, waardoor een van de langste biosyntheseroutes werd opgebouwd die ooit in welk organisme dan ook zijn getransplanteerd, aldus Keasling.
“De productie van het krachtige vaccinadjuvans QS-21 in gist benadrukt de kracht van synthetische biologie om zowel grote milieu- als menselijke gezondheidsuitdagingen aan te pakken”, zegt Yuzhong Liu, voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Berkeley, eerste auteur van het artikel en nu een assistent-professor bij Scripps Research in La Jolla, Californië.
Voortbouwend op malariawerk
Het voordeel van het toevoegen van een adjuvans aan een vaccin werd voor het eerst opgemerkt in de jaren twintig, toen werd ontdekt dat aluin – een aluminiumzout – de effectiviteit van een difterievaccin zou vergroten. Aluin is sindsdien toegevoegd aan veel vaccins die een deel van een ziekteverwekker gebruiken – maar niet het infectieuze deel – om immuniteit te induceren. Omdat adjuvantia vaccins effectiever maken, kunnen artsen ook kleinere doses van het actieve ingrediënt, een zogenaamde antigeen, gebruiken.
Niet lang nadat werd ontdekt dat aluin de effectiviteit van vaccins verhoogt, bleek een groep zeepachtige moleculen hetzelfde te doen. In de jaren zestig hadden onderzoekers zich geconcentreerd op een extract van de Chileense zeepschorsboom (Quillaja saponaria) dat verschillende componenten van het immuunsysteem sterk activeert om het effect van het geven van alleen een vaccinantigeen te versterken.
De afgelopen 25 jaar is één bestanddeel van dat extract – QS-21 – een van de belangrijkste niet-aluminiumadjuvantia in vaccins geweest, nadat het in meer dan 120 klinische onderzoeken was getest. Het wordt aangetroffen in het gordelroosvaccin (Shingrix) dat aan oudere volwassenen wordt gegeven, een malariavaccin (Mosquirix) dat momenteel bij kinderen wordt gebruikt ter bescherming tegen de parasiet Plasmodium falciparum, en het Novavax SARS-COVID-19-vaccin.
QS-21 wordt tegenwoordig geproduceerd door de bast van de boom te strippen en de vele verbindingen ervan, waarvan sommige giftig zijn, chemisch te extraheren en te scheiden. Hoewel QS-21 een complex molecuul is dat een terpeenkern en acht suikermoleculen bevat, is het in het laboratorium gesynthetiseerd. Maar die synthese omvat 79 afzonderlijke stappen, beginnend bij een tussenproduct dat zelf gesynthetiseerd moet worden.
Keasling, de CEO van het Joint BioEnergy Institute (JBEI) in Emeryville, Californië, werd gevraagd om te proberen het syntheseproces in gist na te bootsen, omdat hij jarenlang heeft gewerkt aan het toevoegen van genen aan gist om ze terpeenverbindingen te laten maken, onder meer Denk hierbij aan artemisinine, een antimalariamedicijn, maar ook aan geur- en smaakstoffen. Terpeenverbindingen, zoals die verantwoordelijk zijn voor de geur van pijnbomen, zijn vaak geurig.
"Dit werk bouwt voort op ons malariawerk", zei hij. "We hebben aan de malariatherapie gewerkt. Dit zou in de toekomst een adjuvans kunnen zijn voor de malariavaccins."
Het toevoegen van de acht suikers bleek een uitdaging, net als het balanceren van onverwachte interacties tussen enzymen in gist. Dit alles moest worden bereikt zonder de cruciale metabolische routes die nodig zijn voor de groei van gist te verstoren.
"Het bevat acht suikers en een terpenoïde in het midden. Ik bedoel, het zorgt ervoor dat de biosyntheseroute van artemisinine er als niets uitziet," zei Keasling. "Ik ben blij dat de synthetische biologie zo ver is gekomen dat we nu een route kunnen bouwen om een molecuul als QS-21 te produceren. Het is een bewijs van hoe ver het veld de afgelopen twintig jaar is gevorderd."
Hij en zijn laboratoriumcollega's, onder leiding van postdoctoraal collega Liu, werkten nauw samen met plantenonderzoeker Anne Osbourn in het John Innes Centre in het Verenigd Koninkrijk. Osbourn had eerder de vele enzymatische stappen uiteengezet die betrokken zijn bij de productie van natuurlijk QS-21 door de zeepbastboom. In de afgelopen vijf jaar, toen Osbourn nieuwe stappen in het proces ontdekte en deze testte in tabaksplanten, voegde het laboratorium van Keasling deze nieuwe genen geleidelijk toe aan gist om de synthetische stappen te repliceren.
"Het was een geweldige samenwerking, want zodra ze een nieuw gen in de route kreeg, stuurden ze het onze kant op en stopten we het in gist," zei Keasling. "Het was ook goed voor haar, want ze kreeg een test of haar tabakstest haar het juiste vertelde."
'Alles uit één enkele suiker'
Eerder dit jaar publiceerden Osbourn en Keasling het volledige 20-stappenproces waarmee de zeepbastboom QS-21 maakt, gereconstitueerd in tabak. Helaas is tabak een proeftuin voor de plantenchemie, maar geen schaalbare manier om een chemische verbinding te produceren.
Het nieuwe artikel reconstrueert dat proces in gist, met extra stappen toegevoegd omdat gist niet bepaalde enzymen bevat die van nature in planten voorkomen. Momenteel kan een liter van de fermenterende bio-engineered gist in drie dagen ongeveer 100 microgram QS-21 produceren, met een marktwaarde van ongeveer $ 200. Maar de biosynthese van gist is schaalbaar.
"Zelfs op de niveaus waarop we het produceren, is het goedkoper dan het uit de fabriek produceren," zei Keasling.
De kunstmatige gist bestaat alleen uit suiker, wat een bijkomend voordeel is, zei hij.
"Mijn hele ding is dat ik alles wil maken van één enkele suiker. Ik wil alleen maar gistglucose voeren, omdat we uiteindelijk willen dat dit proces wordt opgeschaald. En als je ze een heleboel mooie tussenproducten geeft, dan zal het resultaat opleveren in een proces dat niet schaalbaar is”, aldus Keasling. "Uiteindelijk zou ik willen beginnen met glucose, zodat wanneer de productie in grote tanks plaatsvindt, ze QS-21 zo gemakkelijk en goedkoop mogelijk kunnen produceren."
Hoewel Keasling van plan is de optimalisatie van het proces voor grootschalige productie aan anderen over te laten, hoopt hij wel de enzymatische stappen die hij in gist heeft geïntroduceerd, aan te passen om varianten van QS-21 te produceren die mogelijk effectiever zouden kunnen zijn dan QS-21. En dankzij de biosynthese van gist kan hij experimenteren met het snoeien van het QS-21-molecuul om te zien welke delen kunnen worden geëlimineerd zonder de effectiviteit van het molecuul te veranderen.