تولید واکسن بیولوژی مصنوعی ارزان تر – یک ضربه

یک فرآیند بیوسنتزی چند مرحله ای در مخمر به طور ارزان یک ماده کمکی گران قیمت تولید می کند که در حال حاضر از پوست درخت استخراج می شود و می توان از آن برای ساخت واکسن ارزان تری استفاده کرد.

من گزارش میدم تکناکهمانطور که در طول همه‌گیری کروناویروس نشان داده شد، واکسن‌ها جان انسان‌ها را نجات می‌دهند، اما یکی از اجزای بیشتر واکسن‌ها، از جمله واکسن کووید-19، نامشخص است: یک مولکول یا ترکیب دیگری که سیستم ایمنی را وادار می‌کند تا دفاع قوی‌تری در برابر عفونت ایجاد کند. به آنها ادجوانت می گویند.

این به اصطلاح ادجوانت ها در مقادیر کم اضافه می شوند اما اثر محافظتی زیادی دارند، به ویژه در نوزادان با سیستم ایمنی نابالغ و افراد مسن با پاسخ ایمنی ضعیف.

با این حال، یکی از قوی‌ترین مواد کمکی، عصاره‌ای از گیاه پوست صابون شیلیایی، آنقدر دشوار است که هر کیلوگرم آن چند صد میلیون دلار هزینه دارد.

پیشرفت در زیست شناسی مصنوعی

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا برکلی و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) اکنون از قدرت زیست شناسی مصنوعی برای تولید ماده فعال در پوست صابون، مولکولی به نام QS-21، در مخمر استفاده کرده اند. تولید چنین ترکیباتی در مخمر نه تنها ارزان تر است، بلکه با محیط زیست سازگارتر است و از بسیاری از مواد شیمیایی خورنده و سمی مورد نیاز برای استخراج این ترکیب از گیاهان جلوگیری می کند.

اگرچه بازده فرآیند مبتنی بر مخمر هنوز اندک است، اما این پیشرفت نوید می‌دهد که یکی از مؤثرترین ادجوانت‌ها را به طور گسترده‌تر در دسترس قرار دهد و به طور کلی هزینه واکسن‌ها را کاهش دهد.

جی کیزلینگ، دانشمند ارشد این مطالعه گفت: «در طول همه‌گیری ویروس کرونا، مقامات بهداشت عمومی واقعاً نگران در دسترس بودن ادجوانت QS-21 بودند، زیرا فقط از یک درخت می‌آید. از دیدگاه بهداشت جهانی، نیاز زیادی به منبع جایگزین این کمک وجود دارد.

کیسلینگ گفت که ایجاد QS-21 شامل وارد کردن 38 ژن مختلف از شش موجود زنده به مخمر بود که یکی از طولانی‌ترین مسیرهای بیوسنتزی پیوند شده به هر موجود زنده را ایجاد کرد.

یوژونگ لیو، نویسنده اول این مقاله گفت: تولید واکسن کمکی قوی QS-21 در مخمر، قدرت زیست شناسی مصنوعی را برای مقابله با موانع مهم محیطی، انسانی و بهداشتی نشان می دهد.

نتایج این مطالعه در 8 می در مجله Nature منتشر شد.

بر اساس تحقیقات مالاریا

فواید افزودن یک کمک واکسن برای اولین بار در دهه 1920 زمانی که آلوم، نمک آلومینیوم، برای افزایش اثربخشی واکسن دیفتری کشف شد، مورد توجه قرار گرفت. از آن زمان، زاج به بسیاری از واکسن ها اضافه شده است که از بخشی از یک پاتوژن برای القای ایمنی استفاده می کنند. از آنجایی که ادجوانت‌ها واکسن‌ها را مؤثرتر می‌کنند، به پزشکان اجازه می‌دهند از دوزهای کمتری از ماده فعال به نام آنتی‌ژن استفاده کنند.

مدت کوتاهی پس از کشف زاج برای افزایش اثربخشی واکسن‌ها، گروهی از مولکول‌های صابون مانند نیز همین کار را انجام می‌دهند. در دهه 1960، محققان بر روی عصاره ای از درخت پوست صابون شیلی (Quillaja saponaria) تمرکز کردند که به شدت اجزای مختلف سیستم ایمنی را برای افزایش اثر تزریق آنتی ژن واکسن به تنهایی فعال می کند. در 25 سال گذشته، بخشی از این عصاره، QS-21، واکسن کمکی اولیه غیر آلومینیومی بوده است که در بیش از 120 کارآزمایی بالینی آزمایش شده است. این در واکسن هرپس زوستر (شینگریکس) که به بزرگسالان داده می شود، واکسن مالاریا (Mosquirix) که در حال حاضر در کودکان برای محافظت در برابر انگل پلاسمودیوم فالسیپاروم استفاده می شود، و واکسن Novavax SARS-COVID-19 یافت می شود.

امروزه QS-21 با جدا کردن پوست درخت و استخراج شیمیایی آن و جداسازی بسیاری از ترکیبات آن که برخی از آنها سمی هستند تولید می شود. اگرچه QS-21 یک مولکول پیچیده حاوی یک هسته ترپن و هشت مولکول قند است، اما در آزمایشگاه سنتز شد. اما این سنتز 79 مرحله جداگانه را طی می کند، که با یک ماده شیمیایی میانی شروع می شود که خود باید سنتز شود.

کیزلینگ که مدیر اجرایی مؤسسه انرژی زیستی مشترک با بودجه وزارت انرژی ایالات متحده در امریویل کالیفرنیا است، از او خواسته شد که فرآیند سنتز را در مخمر بازسازی کند، زیرا او سال‌ها صرف افزودن ژن به مخمر برای ساخت ترکیبات ترپن از جمله آرتمیزینین کرده بود. که یک داروی ضد مالاریا است و همچنین به عنوان یک ترکیب ترپن معطر و طعم دهنده عمل می کند، مانند آنهایی که مسئول بوی درختان کاج هستند که اغلب معطر هستند.

وی گفت: این کار بر اساس آزمایش مالاریا است. ما در حال کار بر روی درمانی برای مالاریا بودیم. اکنون این کار می تواند به واکسن های آتی مالاریا کمک کند.

افزودن این هشت قند کمی مشکل بود، همانطور که برهمکنش نامشخص بین آنزیم های مخمر را متعادل می کرد. همه اینها باید بدون ایجاد اختلال در مسیرهای متابولیکی حیاتی که برای رشد مخمر ضروری هستند انجام می شد.

کیزلینگ گفت: “من خوشحالم که زیست شناسی مصنوعی به حدی پیشرفت کرده است که اکنون می توانیم مسیری برای تولید مولکولی مانند QS-21 ایجاد کنیم.” این گواهی بر پیشرفت این رشته در دو دهه گذشته است.

او از نزدیک با محقق دیگری به نام آزبورن از مرکز جان اینس در بریتانیا همکاری داشت. آزبورن قبلاً از بسیاری از مراحل آنزیمی مربوط به تولید صابون طبیعی QS-21 استفاده کرده بود. در طول پنج سال گذشته، زمانی که آزبورن مراحل جدیدی را در این فرآیند کشف کرد و آنها را در گیاهان تنباکو آزمایش کرد، آزمایشگاه کیسلینگ به تدریج این ژن‌های جدید را به مخمر اضافه کرد تا مراحل را به صورت مصنوعی بازتولید کند.

کیسلینگ گفت: “این یک همکاری عالی بود زیرا به محض اینکه آزبورن ژن جدیدی در راه دریافت کرد، آن را برای ما ارسال کردند و ما آن را در مخمر قرار دادیم.” این برای او نیز خوب بود، زیرا او بررسی کرد که آیا آزمایش تنباکو او چیز درستی را به او می گوید یا خیر.

همه چیز از شکر شروع شد

در اوایل سال جاری، آزبورن و کیسلینگ فرآیند کامل 20 مرحله‌ای را منتشر کردند که در آن از پوست درخت صابون QS-21 ساخته می‌شود که دوباره به تنباکو تبدیل می‌شود. متأسفانه، تنباکو یک محل آزمایش برای شیمی گیاهان است، اما روشی مقیاس پذیر برای تولید یک ترکیب شیمیایی نیست.

مقاله جدید فرآیند را در مخمر بازسازی می کند و مراحل بیشتری را اضافه می کند زیرا مخمر حاوی آنزیم هایی نیست که به طور طبیعی در گیاهان وجود دارد. در حال حاضر، یک لیتر مخمر تخمیری مهندسی شده زیستی می تواند حدود 100 میکروگرم QS-21 را در سه روز تولید کند که ارزش بازار آن حدود 200 دلار است.

کیسلینگ گفت: «حتی در سطوحی که ما آن را تولید می کنیم، ارزان تر از تولید آن در یک کارخانه است. مخمر مهندسی شده فقط با شکر همراه است که یک مزیت اضافی است.

وی افزود: می خواهم مخمر را با گلوکز تغذیه کنم تا QS-21 به راحتی و ارزانی تولید شود.

در حالی که کیزلینگ قصد دارد بهینه سازی فرآیند تولید در مقیاس بزرگ را به سایر محققان بسپارد، او امیدوار است که مراحل آنزیمی را که در مخمر معرفی کرده اصلاح کند تا انواع QS-21 را تولید کند که به طور بالقوه می تواند موثرتر از QS-21 باشد. بیوسنتز مخمر به او اجازه داد تا با برش مولکول QS-21 آزمایش کند تا ببیند کدام قسمت‌ها را می‌توان بدون تغییر در اثربخشی مولکول جدا کرد.

(عنوان تصویر: دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا یک روش تولید مقرون به صرفه و مبتنی بر مخمر برای QS-21 ایجاد کرده اند که کارایی واکسن را افزایش می دهد و اتکا به روش های سنتی و مضر برای محیط زیست استخراج را کاهش می دهد.)