用工程酵母菌生产每公斤价值上亿的疫苗佐剂QS-21

其中一种最强的疫苗佐剂是智利皂树皮树的提取物，名为QS-21，从其原生来源生产每公斤要花费数亿美元。科学家们现在已经成功地创造了一种酵母生物合成佐剂的过程。这一成就包括将来自6种生物的38种不同基因插入酵母中，这是迄今为止移植到任何生物体内最长的生物合成途径之一。

　　

疫苗佐剂是一种能够增强机体对疫苗中抗原成分的免疫应答，提高疫苗的效力，使免疫系统产生更强大的预防感染能力的分子或化合物。由于佐剂能增强疫苗作用，因而允许减少疫苗中病原体/抗原的使用剂量而依然产生强大的保护作用，对免疫系统不成熟的婴儿或免疫反应下降的老年人中特别有帮助。早期和最广泛使用的佐剂是明矾。但最强的佐剂之一是从智利皂树(Quillaja saponaria)树皮中制备的提取物，这种提取物能强烈激活免疫系统的不同成分以增强单独注射疫苗抗原的效果。在过去的25年里，这种提取物的一种成分——QS-21——一直是疫苗中主要的非铝佐剂之一，已经在120多项临床试验中进行了测试，用于老年人接种的带状疱疹疫苗(Shingrix)、目前用于儿童预防恶性疟原虫的疟疾疫苗(moquirix)和Novavax COVID-19等疫苗中。QS-21分离纯化工艺复杂；而合成QS-21需要70多个步骤，据说每公斤要花费上亿美元。“在流感大流行期间，公共卫生官员真的很担心QS-21佐剂的可用性，因为它只来自一种树，”“从世界健康的角度来看，我们非常需要这种佐剂的替代来源。”

加州大学伯克利分校化学和生物分子工程教授、伯克利实验室资深科学家Jay Keasling博士带领的研究团队利用合成生物学技术，先后将来自六种生物的38种不同基因插入酵母中——这可能成为有史以来构建的最长的生物合成途径之一 ——成功在酵母中生产出QS-21分子。

虽然以酵母为基础的工艺的产量仍然很小——一升LB培养基的产量只有几百美元——但这一成就有望使最有效的佐剂之一得到更广泛的应用，并降低疫苗的总体成本。在酵母中生产这些类型的化合物不仅更便宜，而且更环保，避免了从植物中提取化合物所需的许多腐蚀性和有毒化学物质。这种基于酵母的过程也可以用来帮助研究人员开发改进的疫苗佐剂。

“在酵母中生产强效疫苗佐剂QS-21，突出了合成生物学在解决主要环境和人类健康挑战方面的力量。”

Keasling是美国能源部资助的联合生物能源研究所(JBEI)的首席执行官，他一直尝试在酵母中重现合成过程，因为他多年来一直致力于向酵母中添加基因，使其产生萜烯化合物，其中包括抗疟疾药物青蒿素。“这项工作建立在我们的疟疾研究的基础上，”“我们致力于疟疾治疗。现在，这可能是未来疟疾疫苗的佐剂。”

Liu是该团队在《自然》杂志上发表的论文的第一作者，题为“工程酵母中QS-21的完全生物合成”。酵母生物合成平台通过表达替代途径酶或通过制造QS-21片段，利用酶的混杂性在追求疫苗佐剂的新线索中，为生产QS-21的结构变体提供了巨大的机会。Keasling和实验室与约翰英纳斯中心的植物研究员Anne Osbourn博士密切合作。Anne Osbourn早些时候梳理出了许多涉及到皂皮树生产天然QS-21的酶促步骤，并在烟草植物上进行测试，Keasling的实验室逐渐将这些新基因添加到酵母中，以复制合成步骤。“这是一次伟大的合作，因为一旦她在途径中获得了一个新的基因，他们就会把它发送给我们，我们就会把它放入酵母中，”“这对她也有好处，因为她得到了一个测试，看看她的烟草检测结果是否正确。”

今年早些时候，Osbourn和Keasling发表了一个在烟草中重新合成QS-21的完整的20步流程。可惜烟草不适合作为一种可扩展的生产化合物的方法。

新成果转向酵母，并增加了一些步骤，因为酵母不含天然存在于植物中的一些酶。目前，一升发酵的生物工程酵母可以在三天内产生大约100微克的QS-21，市场价值约为200美元。“即使在我们生产的水平上，它也比从工厂生产便宜，”Keasling说。“我很高兴合成生物学已经走了这么远，我们现在可以建立一个途径来生产像QS-21这样的分子。这证明了该领域在过去20年里取得了多大的进步。”“我们在工程酵母菌株中展示了QS-21的全生物合成，强调了大规模工业发酵取代以种植园为基础的皂苷供应的可能性，这可能显著增加QS-21的可用性，以满足对强效疫苗佐剂不断增长的需求。”“在酵母中产生QS-21的速度仍然比在皂树快得多(大约1000倍)，后者只有在树木达到30-50岁时才会产生QS-21。”

酵母的生物合成也是可扩展的，而且这种工程酵母只靠糖生存，这是一个额外的优势，Keasling指出。“我的全部想法是，只给酵母喂葡萄糖，因为最终我们想要这个过程规模化，”Keasling说。“当大规模生产时就能尽可能容易和廉价地生产出QS-21。”

作者承认，为了大规模生产酵母衍生的QS-21，需要在菌株工程、生产和发酵方案以及下游提取和纯化工艺方面取得进一步的关键进展。然而，他们表示，“……在这一领域取得的里程碑式的成功，例如抗疟疾前体青蒿酸的工业规模生产，为微生物生物制造的新机遇铺平了道路。”

虽然Keasling计划将优化以酵母为基础的大规模生产QS-21的生产过程留给其他人，但他确实希望调整他引入酵母的酶促步骤，以生产出可能比QS-21更有效的QS-21变体。酵母生物合成允许他进行实验，修剪QS-21分子，看看哪些部分可以在不改变分子有效性的情况下被去除。正如研究小组在他们的论文中总结的那样，“由于几种酶的混杂性，QS-21的结构类似物是使用这里描述的生物合成平台生产的;这将使未来能够建立结构-生物活性关系，并允许合理设计强效疫苗佐剂。”