פריצת דרך בביולוגיה סינתטית סוללת את הדרך לחיסונים זולים יותר

תהליך ביוסינתטי רב-שלבי בשמרים מייצר בזול תוסף יקר המופק כעת מקליפת עץ.

חיסונים מצילים חיים, כפי שהוכח במהלך המגיפה האחרונה, אבל מרכיב אחד של רוב החיסונים – כולל Novavax COVID 19 חיסון – אינו מפורסם: מולקולה או תרכובת אחרת המעודדת את המערכת החיסונית להקים הגנה חזקה יותר מפני זיהום.

מה שנקרא אדג'ובנטים אלה מתווספים בכמויות קטנות אך יש להם אפקט הגנה גדול, במיוחד בתינוקות עם מערכת חיסון לא בשלה ואנשים מבוגרים עם ירידה בתגובה החיסונית.

עם זאת, אחד התוספים החזקים ביותר, תמצית של צמח קליפת הסבון הצ'יליאני, כל כך קשה לייצור עד שהוא עולה כמה מאות מיליוני דולרים לקילוגרם (2.2 פאונד).

פריצת דרך בביולוגיה סינתטית

אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, ומדענים מהמעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) הפעילו כעת את הכוח של הביולוגיה הסינתטית לייצר את החומר הפעיל של קליפת הסבון, מולקולה בשם QS-21, בשמרים. ייצור תרכובות כאלה בשמרים הוא לא רק זול יותר, אלא ידידותי יותר לסביבה, תוך הימנעות רבים מהכימיקלים המאכלים והרעילים הדרושים למיצוי התרכובת מצמחים.

בעוד שהתשואות מהתהליך המבוסס על שמרים עדיין קטנות – בשווי של כמה מאות דולרים מליטר מרק – ההישג מבטיח להפוך את אחד התוספים היעילים ביותר לזמינים בצורה רחבה יותר ולהוזיל את עלות החיסונים, באופן כללי.

"במהלך המגיפה, קציני בריאות הציבור היו מודאגים מאוד מהזמינות של תוסף QS-21 כי זה מגיע רק מעץ אחד", אמר ג'יי קיסלינג, פרופסור להנדסה כימית וביו-מולקולרית באוניברסיטת ברקלי ומדען סגל בכיר במעבדת ברקלי. "מנקודת מבט של בריאות עולמית, יש צורך רב במקור חלופי של תוסף זה."

הייצור של QS-21 כלל החדרה של 38 גנים שונים משישה אורגניזמים לשמרים – בניית אחד המסלולים הביוסינתטיים הארוכים ביותר שהושתלו אי פעם באורגניזם כלשהו, ​​אמר קיסלינג.

"הייצור של תוסף החיסון החזק QS-21 בשמרים מדגיש את הכוח של ביולוגיה סינתטית להתמודד עם אתגרים סביבתיים גדולים, כמו גם אנושיים, בריאותיים", אמר עמית פוסט-דוקטורט לשעבר באוניברסיטת ברקלי, יוז'ונג ליו, המחבר הראשון של המאמר וכיום עוזר פרופסור במחקר Scripps בלה ג'ולה, קליפורניה.

התוצאות יפורסמו ב-8 במאי בכתב העת טֶבַע.

בונים על עבודת מלריה

היתרון של הוספת תוסף לחיסון צוין לראשונה בשנות ה-20, כאשר אלום – מלח אלומיניום – התגלה כמגביר את היעילות של חיסון דיפטריה. מאז התווסף אלום לחיסונים רבים המשתמשים בחלק מפתוגן – אם כי לא בחלק הזיהומי – כדי לעורר חסינות. מכיוון שחומרי העזר הופכים את החיסונים ליעילים יותר, הם גם מאפשרים לרופאים להשתמש במינונים קטנים יותר של החומר הפעיל, הנקרא אנטיגן.

זמן לא רב לאחר שהתגלה שאלום מגביר את יעילות החיסונים, נמצאה קבוצה של מולקולות דמויות סבון שעושה את אותו הדבר. עד שנות ה-60, החוקרים התמקדו בתמצית של עץ קליפת הסבון הצ'יליאני (Quillaja saponaria) המפעיל חזק מרכיבים שונים של מערכת החיסון כדי להגביר את ההשפעה של מתן אנטיגן חיסון בלבד. במשך 25 השנים האחרונות, מרכיב אחד של התמצית – QS-21 – היה אחד התוספים העיקריים שאינם אלומיניום בחיסונים, לאחר שנבדק ביותר מ-120 ניסויים קליניים. הוא נמצא בחיסון שלבקת חוגרת (Shingrix) הניתן למבוגרים, חיסון מלריה (Mosquirix) המשמש כיום בילדים להגנה מפני הטפיל Plasmodium falciparumוהחיסון Novavax SARS-COVID-19.

QS-21 מיוצר כיום על ידי הפשטת קליפות עץ מהעץ ומיצוי כימי והפרדה של תרכובותיו הרבות, חלקן רעילות. למרות ש-QS-21 היא מולקולה מורכבת המכילה ליבת טרפן ושמונה מולקולות סוכר, היא סונתזה במעבדה. אבל הסינתזה הזו לוקחת 79 שלבים נפרדים, החל מכימיקל ביניים שצריך לסנתז בעצמו.

קיסלינג, שהוא המנכ"ל של מכון הביו-אנרגיה המשותף (JBEI) במימון משרד האנרגיה האמריקאי באמריוויל, קליפורניה, התבקש לנסות לשחזר את תהליך הסינתזה בשמרים מכיוון שהוא עבד במשך שנים בהוספת גנים לשמרים כדי להשיג אותם לייצר תרכובות טרפן, ביניהן ארטמיסינין, תרופה נגד מלריה, אבל גם ריחות וחומרי טעם וריח. תרכובות טרפן, כמו אלו האחראיות לריח של עצי אורן, הן לרוב ריחניות.

"העבודה הזו מתבססת על עבודת המלריה שלנו", אמר. "עבדנו על הטיפול במלריה. כעת, זה יכול להיות תוסף לחיסון נגד מלריה בעתיד."

הוספת שמונת הסוכרים הוכיחה את עצמה כמאתגרת, וכך גם איזון אינטראקציות בלתי חשודות בין אנזימים בשמרים. כל זה היה צריך להתבצע מבלי לזרוק מסלולים מטבוליים קריטיים הדרושים לצמיחת שמרים.

"יש לו שמונה סוכרים וטרפנואיד באמצע. כלומר, זה גורם למסלול הביוסינתטי של ארטמיסינין להיראות כמו כלום", אמר קיסלינג. "אני שמח שהביולוגיה הסינתטית הגיעה כל כך רחוק שעכשיו אנחנו יכולים לבנות מסלול לייצור מולקולה כמו QS-21. זה עדות לכמה רחוק התחום התקדם בשני העשורים האחרונים”.

הוא ועמיתיו למעבדה, בראשות עמית הפוסט-דוקטורט ליו, עבדו בשיתוף פעולה הדוק עם חוקרת הצמחים אן אוסבורן במרכז ג'ון אינס בבריטניה. אוסבורן הקניט את השלבים האנזימטיים הרבים הכרוכים בייצור QS-21 טבעי של עץ הסבון. במהלך חמש השנים האחרונות, כשאוסבורן גילה שלבים חדשים בתהליך ובדק אותם בצמחי טבק, המעבדה של קיסלינג הוסיפה בהדרגה את הגנים החדשים הללו לשמרים כדי לשכפל את השלבים הסינתטיים.

"זה היה שיתוף פעולה נהדר, כי ברגע שהיא קיבלה גן חדש במסלול, הם היו שולחים אותו בדרך שלנו, והיינו שמים אותו בשמרים," אמר קיסלינג. "זה גם היה טוב עבורה, כי היא קיבלה בדיקה אם בדיקת הטבק שלה אומרת לה את הדבר הנכון".

"הכל מסוכר אחד"

מוקדם יותר השנה, אוסבורן וקיזלינג פרסמו את התהליך המלא בן 20 השלבים שבאמצעותו עץ קליפת הסבון מייצר QS-21, משוחזר בטבק. למרבה הצער, טבק הוא מצע בדיקה לכימיה של צמחים, אך לא דרך ניתנת להרחבה לייצור תרכובת כימית.

הנייר החדש משחזר את התהליך בשמרים, עם שלבים נוספים שנוספו מכיוון ששמרים אינם מכילים כמה אנזימים הקיימים באופן טבעי בצמחים. נכון להיום, ליטר של שמרים ביו-מהנדסים מתסיסים יכול לייצר כ-100 מיקרוגרם של QS-21 בשלושה ימים, בשווי שוק של כ-200 דולר. אבל ביו-סינתזה של שמרים ניתנת להרחבה.

"אפילו ברמות שאנחנו מייצרים את זה, זה זול יותר מאשר לייצר את זה מהמפעל", אמר קיסלינג.

השמרים המהונדסים מתקיימים רק על סוכר, וזה יתרון נוסף, אמר.

"כל העניין שלי הוא שאני רוצה להכין הכל מסוכר אחד. אני רק רוצה להאכיל שמרים גלוקוז, כי בסופו של דבר אנחנו רוצים שתהליך זה יגדל. ואם אתה מאכיל אותם בחבורה של חומרי ביניים מפוארים, אז זה יביא לתהליך שאינו ניתן להרחבה", אמר קיסלינג. "בסופו של דבר, הייתי רוצה להתחיל עם גלוקוז, אז כשהייצור מתבצע במיכלים גדולים, הם מסוגלים לייצר QS-21 בקלות ובזול ככל האפשר".

בעוד קיסלינג מתכנן להשאיר את האופטימיזציה של התהליך לייצור בקנה מידה גדול לאחרים, הוא מקווה לצבוט את השלבים האנזימטיים שהוא הכניס לשמרים כדי לייצר גרסאות של QS-21 שיכולות להיות יעילות יותר מ-QS-21. וביוסינתזה של שמרים מאפשרת לו להתנסות בגיזום מולקולת QS-21 כדי לראות אילו חלקים ניתן לחסל מבלי לשנות את יעילות המולקולה.

המחקר מומן על ידי מענק תעשייתי.