Инжиниринговые дрожжи создают адъювант для вакцин
С момента открытия в 1900-х годах мощного адъюванта для вакцин его производство зависело от чилийского дерева Квиллайя мыльная. Теперь эту молекулу могут производить дрожжи.
В 1925 году Гастон Рамон, французский ветеринар, заметил, что у лошадей, привитых дифтерийной вакциной, количество антител в крови увеличивалось, если в месте инъекции развивалось воспаление. Любопытствуя, сможет ли он повысить титр антител, намеренно вызывая воспаление, Рамон добавил в вакцину такие бытовые продукты, как хлебные крошки, мыло, крахмал и агар. Его теория оказалась верной, и на свет появились адъюванты для вакцин.
«Если вы дадите просто очищенный белок сам по себе, а это то, чем являются многие наши вакцины, вы, вероятно, не получите очень сильного иммунного ответа. По сути, адъюванты запускают иммунный ответ, обманывая организм, заставляя его думать, что он столкнулся с инфекцией», - объясняет Джессика Старк, инженер-биолог и химик из Массачусетского технологического института.
Вскоре после открытия Рамона алюминиевые квасцы (или алюмокалиевые квасцы) были признаны первым подходящим адъювантом для вакцин на последующие 60 лет. Сегодня один из самых мощных адъювантов для вакцин QS-21 - компонент вакцин против вируса герпеса, малярии и COVID-19 - добывается из коры чилийского мыльного дерева Quillaja saponaria. Поскольку растущие потребности в нем создают проблемы для его стабильного производства, исследователи из Калифорнийского университета сконструировали дрожжи для синтеза QS-21 из простых молекул глюкозы. Их результаты, опубликованные в журнале Nature, могут позволить разработчикам вакцин в будущем увеличить масштабы производства. «Возможность начать с такого простого сахара, как глюкоза, и дойти до синтеза этого действительно важного адъюванта для иммунологии и вакцин - это большой шаг вперед», - считает Старк, которая не принимала участия в исследовании.
Джей Кизлинг, биоинженер из Калифорнийского университета в Беркли и соавтор исследования, занимается дрожжами уже несколько десятилетий. Работая над созданием противомалярийного препарата артемизинина в лаборатории, Кизлинг искал хорошего микроорганизма-хозяина, который мог бы экспрессировать гены растений. Протестировав несколько кандидатов, он нашел того, кто отвечал всем его требованиям: Saccharomyces cerevisiae. Успех коллектива в работе над артемизинином заложил основу для синтеза QS-21, поскольку обе молекулы имеют общий важный компонент - терпеноидное ядро.
Однако Кизлинг обнаружил, что дальше этого этапа дело не идет. Он обратился за помощью к коллегам и вместе они составили карту всего пути синтеза в Q. saponaria. Вооружившись этой информацией, группа попыталась воспроизвести этот путь, включающий 38 гетерологичных ферментов из 7 семейств ферментов, на дрожжах. Но не все части могли быть идентично воспроизведены в дрожжах. «Когда вы берете процесс из растения и помещаете его в дрожжи, некоторые этапы не будут функционировать, и тогда вам придется искать в других организмах, чтобы понять, можно ли найти очень похожий фермент, который будет обладать той же активностью, но при этом работать в дрожжах», - пояснил Кизлинг. Таким образом, ученые нашли молекулы у шести разных видов и ввели их в S. cerevisiae, не нарушив ее физиологию.
Далее участники эксперимента хотели определить вид, у которого ферменты работают лучше всего. Протестировав различные варианты и комбинации 38 ферментов, они нашли оптимальные компоненты и подход к воспроизведению 20-ступенчатого пути биосинтеза QS-21. По оценке Кизлинга, при сравнении с существующими методами производства «в масштабах долгосрочной перспективы [наш подход] будет наилучшим».
В настоящее время выход дрожжей составляет 0,0012 объемных процента, что ниже, чем 0,0032%, получаемых из дерева. Однако дереву мыльной коры требуется от 30 до 50 лет для производства QS-21, тогда как дрожжи производят молекулы за считанные дни, что примерно в 1000 раз ускоряет синтез. «Очень часто в метаболической инженерии при первой демонстрации титры желаемого соединения обычно низкие», - отмечает Старк. Кизлинг добавляет: «[Увеличение выхода] потребует много проб и ошибок. Это то, что мы и другие уже делали раньше, так что это, конечно, возможно, но потребует значительных усилий».
