用酵母制成的佐剂可以降低疫苗成本并提高可用性

正如在最近的大流行中证明的那样，疫苗可以挽救生命，但大多数疫苗（包括诺瓦瓦克斯 COVID-19 疫苗）的一个组成部分却鲜为人知：一种分子或其他化合物，可启动免疫系统以建立更强大的感染防御能力。

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

然而，最强的佐剂之一，智利肥皂树皮植物的提取物，很难生产，每公斤（2.2磅）的成本高达数亿美元。

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利用合成生物学的力量在酵母中生产肥皂皮的活性成分，一种叫做QS-21的分子。在酵母中生产这样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。

虽然基于酵母的工艺的产量仍然很小——一升肉汤价值几百美元——但这一壮举有望使最有效的佐剂之一更广泛地使用，并总体上降低疫苗的成本。

“在大流行期间，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，”加州大学伯克利分校化学和生物分子工程教授、伯克利实验室高级教职科学家Jay Keasling说，“从世界健康的角度来看，对这种佐剂的替代来源的需求很大。

Keasling说，QS-21的生产涉及将来自六种生物体的38个不同基因插入酵母中 – 构建了有史以来移植到任何生物体中的最长的生物合成途径之一。

“在酵母中生产有效的疫苗佐剂QS-21突出了合成生物学解决主要环境和人类健康挑战的力量，”前加州大学伯克利分校博士后研究员Yuzhong Liu说，他是该论文的第一作者，现在是加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所的助理教授。

研究结果于5月8日发表在 《自然》杂志上。

在疟疾工作的基础上再接再厉

在1920年代首次注意到在疫苗中添加佐剂的好处，当时发现明矾（一种铝盐）可以提高白喉疫苗的有效性。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（尽管不是传染性部分）来诱导免疫力。由于佐剂使疫苗更有效，它们还允许医生使用较小剂量的活性成分，称为抗原。

Bianca Susara，伯克利实验室

在明矾被发现可以提高疫苗的有效性后不久，一组类似肥皂的分子被发现也有同样的作用。到 1960 年代，研究人员专注于智利皂皮树 （Quillaja saponaria） 的提取物，该提取物强烈激活免疫系统的不同成分，以放大单独给予疫苗抗原的效果。在过去的25年里，这种提取物的一种成分——QS-21——一直是疫苗中的主要非铝佐剂之一，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）、目前用于儿童预防寄生虫 恶性疟原虫的疟疾疫苗 （Mosquirix） 和 Novavax SARS-COVID-19 疫苗中。

今天，QS-21是通过从树上剥离树皮并化学提取和分离其许多化合物（其中一些是有毒的）而产生的。虽然QS-21是一个复杂的分子，含有一个萜烯核心和八个糖分子，但它是在实验室中合成的。但这种合成需要79个独立的步骤，从中间化学物质开始，而中间化学物质本身必须被合成。

Keasling是美国能源部资助的位于加利福尼亚州埃默里维尔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建合成过程，因为他多年来一直在酵母中添加基因，使它们制造萜烯化合物，其中包括青蒿素，一种抗疟药，还有气味和调味剂。萜烯化合物，如那些负责松树气味的化合物，通常很香。

“这项工作建立在我们的疟疾工作之上，”他说。“我们研究了疟疾疗法。现在，这可能是未来疟疾病疫苗的佐剂。

添加这八种糖被证明是具有挑战性的，平衡酵母中酶之间未被怀疑的相互作用也是如此。所有这些都必须在不抛弃酵母生长所需的关键代谢途径的情况下完成。

“它有八种糖，中间有一种萜类化合物。我的意思是，它使青蒿素生物合成途径看起来什么都没有，“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条生产像QS-21这样的分子的途径。这证明了该领域在过去二十年中取得了多大的进步。

他和他的实验室同事在博士后研究员刘的带领下，与英国约翰英尼斯中心的植物研究员安妮·奥斯本（Anne Osbourn）密切合作。Osbourn早些时候曾嘲笑肥皂皮树生产天然QS-21所涉及的许多酶促步骤。在过去的五年里，随着Osbourn在这一过程中发现了新的步骤，并在烟草植物中进行了测试，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一个新基因，他们就会把它送到我们身边，然后我们把它放到酵母中，”Keasling说。“这对她也有好处，因为她接受了烟草检测是否告诉她正确的事情的测试。

“一切来自单一的糖”

今年早些时候，Osbourn 和 Keasling 发表了完整的 20 步过程，通过该过程，皂皮树制造 QS-21，在烟草中重组。不幸的是，烟草是植物化学的试验台，但不是生产化合物的可扩展方式。

这篇新论文在酵母中重建了这一过程，并添加了额外的步骤，因为酵母不含植物中天然存在的一些酶。目前，一升发酵生物工程酵母可在三天内产生约100微克的QS-21，市场价值约为200美元。但酵母生物合成是可扩展的。

“即使在我们生产的水平上，它也比从工厂生产它便宜，”Keasling说。

他说，工程酵母仅以糖为生，这是一个额外的优势。

“我的整个想法是，我想用一种糖来制作所有东西。我只想喂酵母葡萄糖，因为最终我们希望这个过程能够扩大规模。如果你给他们喂一堆花哨的中间体，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，这样当在大型储罐中进行生产时，他们能够尽可能容易和廉价地生产QS-21。”

虽然Keasling计划将大规模生产工艺的优化留给其他人，但他确实希望调整他在酵母中引入的酶促步骤，以生产可能比QS-21更有效的QS-21变体。酵母生物合成使他能够尝试修剪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消除。

该研究由工业赠款资助。

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