Vakcine spašavaju živote, kao što je dokazano tokom nedavne pandemije, ali jedna komponenta većine vakcina – uključujući Novavaks vakcinu protiv COVID-19 – ostaje nenajavljena: molekul ili drugo jedinjenje koje podstiče imuni sistem da uspostavi snažniju odbranu od infekcije.
Ovi takozvani adjuvansi se dodaju u malim količinama, ali imaju veliki zaštitni efekat, posebno kod novorođenčadi sa nezrelim imunološkim sistemom i starijih ljudi sa opadanjem imunološkog odgovora.
Ipak, jedan od najjačih pomoćnih sredstava, ekstrakt čileanske biljke kore sapuna, toliko je teško proizvesti da košta nekoliko stotina miliona dolara po kilogramu.
Naučnici Kalifornijskog univerziteta u Berkliju i Nacionalne laboratorije Lorens Berkli (Laboratorija Berkli) su sada koristili moć sintetičke biologije za proizvodnju aktivnog sastojka kore sapuna, molekula nazvanog X-21, u kvascu. Proizvodnja ovakvih jedinjenja u kvascu nije samo jeftinija, već je i ekološki prihvatljivija, izbegavajući mnoge nagrizajuće i toksične hemikalije potrebne za ekstrakciju jedinjenja iz biljaka. Rezultati su objavljeni 8. maja u časopisu Priroda.
Dok su prinosi od procesa baziranog na kvascu i dalje mali – vredi nekoliko stotina dolara iz litre bujona – ovaj podvig obećava da će jedan od najefikasnijih pomoćnih sredstava učiniti dostupnim šire i smanjiti cenu vakcina, uopšte.
„Tokom pandemije, službenici javnog zdravlja su bili zaista zabrinuti zbog dostupnosti pomoćnog sredstva X-21 jer to dolazi samo od jednog drveta“, rekao je Džej Kizling, profesor hemijskog i biomolekularnog inženjerstva UC Berkli i viši naučnik fakulteta u laboratoriji Berkli. „Iz perspektive svetskog zdravlja, postoji velika potreba za alternativnim izvorom ovog adjuvansa.“
Proizvodnja X-21 uključivala je umetanje 38 različitih gena iz šest organizama u kvasac – izgradnju jednog od najdužih puteva biosinteze ikada transplantiranih u bilo koji organizam, rekao je Keasling.
„Proizvodnja snažnog adjuvansa za vakcinu X-21 u kvascu naglašava moć sintetičke biologije da se bavi i velikim ekološkim, kao i ljudskim zdravstvenim izazovima“, rekao je bivši postdoktorski saradnik UC Berkelei Iuzhong Liu, prvi autor rada, a sada docent u Scripps Research u La Jolla, Kalifornija.
Prednost dodavanja adjuvansa vakcini je prvi put primećena 1920-ih, kada je otkriveno da stipsa — so aluminijuma — povećava efikasnost vakcine protiv difterije. Stipsa je od tada dodata mnogim vakcinama koje koriste deo patogena – iako ne infektivni deo – da izazovu imunitet. Pošto adjuvansi čine vakcine efikasnijim, oni takođe dozvoljavaju lekarima da koriste manje doze aktivnog sastojka, nazvanog antigen.
Nedugo nakon što je otkriveno da stipsa povećava efikasnost vakcina, otkriveno je da grupa molekula sličnih sapunu čini isto. Do 1960-ih, istraživači su se fokusirali na ekstrakt čileanskog drveta sapunice (Kuillaja saponaria) koji snažno aktivira različite komponente imunog sistema kako bi pojačao efekat davanja samog antigena vakcine.
Poslednjih 25 godina, jedna komponenta tog ekstrakta — X-21 — bila je jedan od glavnih ne-aluminijumskih pomoćnih sredstava u vakcinama, nakon što je testirana u više od 120 kliničkih ispitivanja. Nalazi se u vakcini protiv šindre (Singrik) koja se daje starijim osobama, vakcini protiv malarije (Moskuirik) koja se trenutno koristi kod dece za zaštitu od parazita Plasmodium falciparum, i Novavak SARS-COVID-19 vakcina.
X-21 se danas proizvodi skidanjem kore sa drveta i hemijskim izdvajanjem i odvajanjem mnogih njegovih jedinjenja, od kojih su neka toksična. Iako je X-21 složen molekul koji sadrži terpensko jezgro i osam molekula šećera, sintetizovan je u laboratoriji. Ali ta sinteza traje 79 odvojenih koraka, počevši od srednje hemikalije koja sama mora da se sintetiše.
Keasling, koji je izvršni direktor Zajedničkog instituta za bioenergiju (JBEI) u Emerivilu, Kalifornija, zamoljen je da pokuša da ponovo stvori proces sinteze u kvascu jer je godinama radio dodajući gene kvascu kako bi ih naterao da prave terpenska jedinjenja, među kojima artemisinin, lek protiv malarije, ali i mirise i arome. Terpenska jedinjenja, poput onih odgovornih za miris borova, često su mirisna.
„Ovaj rad se zasniva na našem radu protiv malarije“, rekao je on. „Radili smo na terapiji malarije. Sada, ovo bi moglo biti pomoćno sredstvo za vakcine protiv malarije u budućnosti.“
Dodavanje osam šećera pokazalo se izazovnim, kao i balansiranje nesumnjivih interakcija između enzima u kvascu. Sve ovo je moralo da se postigne bez odbacivanja kritičnih metaboličkih puteva koji su potrebni za rast kvasca.
„Ima osam šećera i terpenoid u sredini. Mislim, čini da biosintetički put artemisinina izgleda kao ništa“, rekao je Keasling. „Zadovoljan sam što je sintetička biologija došla toliko daleko da sada možemo da izgradimo put za proizvodnju molekula kao što je X-21. To je svedočanstvo koliko je ovo polje napredovalo u poslednje dve decenije.“
On i njegove kolege iz laboratorije, koje je predvodio postdoktorski kolega Liu, blisko su sarađivali sa istraživačem biljaka En Ozborn u Centru Džon Ines u Ujedinjenom Kraljevstvu. Ozborn je ranije izneo mnoge enzimske korake koji su uključeni u proizvodnju prirodnog X-21 od drveta sapunice. Tokom proteklih pet godina, dok je Ozborn otkrivao nove korake u procesu i testirao ih u biljkama duvana, Keaslingova laboratorija je postepeno dodavala ove nove gene kvascu da bi ponovila sintetičke korake.
„Bila je to sjajna saradnja, jer čim bi dobila novi gen na putu, oni bi ga poslali na naš način, a mi bismo ga stavili u kvasac“, rekao je Keasling. „To je bilo dobro i za nju, jer je dobila test da li joj je test duvana govorio pravu stvar.
Ranije ove godine, Osbourn i Keasling objavili su kompletan proces od 20 koraka kojim drvo sapunice pravi X-21, rekonstituisan u duvanu. Nažalost, duvan je testna stanica za biljnu hemiju, ali ne i skalabilan način za proizvodnju hemijskog jedinjenja.
Novi rad rekonstituiše taj proces u kvascu, uz dodavanje dodatnih koraka jer kvasac ne sadrži neke enzime koji prirodno postoje u biljkama. Trenutno, litar fermentirajućeg bioinženjeringa kvasca može proizvesti oko 100 mikrograma X-21 za tri dana, sa tržišnom vrednošću od oko 200 dolara. Ali biosinteza kvasca je skalabilna.
„Čak i na nivoima na kojima ga proizvodimo, to je jeftinije nego da ga proizvodimo iz fabrike“, rekao je Keasling.
Inženjerski kvasac živi samo od šećera, što je dodatna prednost, rekao je.
„Cela moja stvar je, želim da napravim sve od jednog šećera. Samo želim da nahranim glukozu kvasca, jer na kraju želimo da se ovaj proces poveća. A ako im hranite gomilu fensi međuproizvoda, onda će to rezultirati u procesu koji nije skalabilan“, rekao je Keasling. „Na kraju, želeo bih da počnem sa glukozom, tako da kada se proizvodnja obavlja u velikim rezervoarima, oni mogu da proizvedu X-21 što je lakše i jeftinije.
Dok Keasling planira da prepusti optimizaciju procesa za proizvodnju velikih razmera drugima, on se nada da će podesiti enzimske korake koje je uveo u kvasac kako bi proizveo varijante X-21 koje bi potencijalno mogle biti efikasnije od X-21. A biosinteza kvasca mu omogućava da eksperimentiše sa odsecanjem molekula X-21 da vidi koji delovi se mogu eliminisati bez promene efikasnosti molekula.
