Nature：合成生物学的突破为更便宜的疫苗铺平道路

加州大学伯克利分校的科学家们发明了一种具有成本效益的、基于酵母的QS-21生产方法，提高了疫苗的效力，减少了对传统的、对环境有害的提取方法的依赖。

　　

酵母中的多步骤生物合成过程廉价地生产出一种昂贵的佐剂，现在从树皮中提取。

正如在最近的大流行期间所证明的那样，疫苗可以挽救生命，但大多数疫苗(包括Novavax COVID-19疫苗)的一个成分却没有得到宣传:一种分子或其他化合物，可使免疫系统对感染形成更强大的防御。

这些所谓的佐剂添加量很小，但有很大的保护作用，特别是对免疫系统不成熟的婴儿和免疫反应下降的老年人。

然而，其中一种最强的佐剂是智利皂皮植物的提取物，它很难生产，每公斤(2.2磅)要花费数亿美元。

合成生物学的突破

加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家们现在已经运用合成生物学的力量，在酵母中生产出肥皂树皮的活性成分，一种名为QS-21的分子。在酵母中生产这种化合物不仅更便宜，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。

虽然以酵母为基础的生产过程的产量仍然很小——一升肉汤的产量只有几百美元——但这一壮举有望使最有效的佐剂之一得到更广泛的应用，并降低疫苗的成本。

合成生物学家将皂树皮树和其他生物的基因插入酵母中，创造了一种生物合成途径，用于制造一种名为QS-21的复杂分子，这是一种用于疫苗的强效佐剂。背景图为QS-21的化学结构。

加州大学伯克利分校化学和生物分子工程教授、伯克利实验室高级科学家Jay Keasling说:“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，因为它只来自一棵树。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。”

Keasling说，QS-21的生产涉及将来自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。

前加州大学伯克利分校博士后Yuzhong Liu说:“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。”刘宇忠是该论文的第一作者，现在是加州拉霍亚市斯克里普斯研究所的助理教授。

研究结果将发表在5月8日的《Nature》杂志上。

以防治疟疾工作为基础

在疫苗中添加佐剂的好处最早是在20世纪20年代发现的，当时明矾——一种铝盐——被发现可以提高白喉疫苗的效力。此后，明矾被添加到许多疫苗中，这些疫苗使用病原体的一部分(尽管不是感染性部分)来诱导免疫。由于佐剂使疫苗更有效，它们也允许医生使用更小剂量的活性成分，称为抗原。

明矾被发现可以提高疫苗的效力后不久，一组类似肥皂的分子也被发现具有同样的功效。到20世纪60年代，研究人员集中研究了智利皂皮树(Quillaja saponaria)的一种提取物，这种提取物能强烈激活免疫系统的不同成分，从而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。它存在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 SARS-COVID-19疫苗中。

今天的QS-21是通过剥去树皮，化学提取和分离其中的许多化合物而制成的，其中一些是有毒的。虽然QS-21是一个包含一个萜烯核和八个糖分子的复杂分子，但它已经在实验室合成。但这种合成需要79个不同的步骤，从一种中间化学物质开始，它本身必须被合成。

Keasling是位于加州埃Emeryville的美国能源部资助的联合生物能源研究所(JBEI)的首席执行官，他被要求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，以及气味和调味剂。萜烯化合物，就像那些负责松树气味的化合物，通常是芳香的“这项工作建立在我们的疟疾工作的基础上，”他说。“我们致力于疟疾治疗。现在，这可能是未来疟疾疫苗的辅助剂。”

事实证明，添加八种糖具有挑战性，平衡酵母中酶之间意想不到的相互作用也是如此。所有这些都必须在不破坏酵母生长所需的关键代谢途径的情况下完成。

“它有八个糖，中间有一个萜类化合物。我的意思是，它使青蒿素生物合成途径看起来一文不值。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。”

他和他的实验室同事在Liu博士后的带领下，与英国约翰英纳斯中心的植物研究员Anne Osbourn密切合作。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。在过去的五年里，随着Osbourn在这个过程中发现了新的步骤，并在烟草植物上进行了测试，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，”Keasling说。

今年早些时候，Osbourn和Keasling发表了完整的20步流程，通过该流程，肥皂树可以在烟草中重新合成QS-21。不幸的是，烟草是植物化学的试验台，而不是一种可扩展的生产化合物的方法。

这篇新论文在酵母中重现了这一过程，并增加了额外的步骤，因为酵母不含植物中天然存在的一些酶。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。但酵母的生物合成是可扩展的。

“即使在我们生产的水平上，它也比从工厂生产便宜，”Keasling说。

他说，这种工程酵母只以糖为食，这是一个额外的优势。“我的全部想法是，我想用一颗糖来做所有的东西。我只想给酵母喂葡萄糖，因为最终我们想要这个过程规模化。如果你给他们提供一堆花哨的中间体，那么它将导致一个不可扩展的过程，”Keasling说。“最后，我想从葡萄糖开始，这样当生产在大型水箱中进行时，他们就能尽可能容易和廉价地生产出QS-21。”

虽然Keasling计划将大规模生产过程的优化留给其他人，但他确实希望调整他引入酵母的酶促步骤，以产生可能比QS-21更有效的QS-21变体。酵母生物合成使他能够对QS-21分子进行修剪实验，看看哪些部分可以在不改变分子有效性的情况下被去除。

参考文献:“Complete biosynthesis of QS-21 in engineered yeast” 8 May 2024, Nature.