Gist-gefermenteerde Chemo: Nu kunnen we alles brouwen

Door Sarah Amandolare

30 sept. 2022 -- Een ongelooflijk oude manier om medicijnen te maken is nu een ongelooflijk nieuwe manier om medicijnen te maken. Wetenschappers hebben een gistfermentatieproces genetisch opnieuw ontworpen om chemotherapieverbindingen te produceren in plaats van bier. 

Vinblastine is de meest complexe verbinding die tot nu toe is geproduceerd met gemanipuleerde gist, zeggen de onderzoekers. De natuurlijk voorkomende bestanddelen ervan worden normaal geoogst van een bedreigde plant in Madagaskar, en het chemotherapeuticum staat op de lijst van essentiële geneesmiddelen van de Wereldgezondheidsorganisatie. Synthetische productie van vinblastine zou leveringsproblemen kunnen elimineren, de kosten verlagen en levens redden. 

Het duurde 7 jaar om het voor elkaar te krijgen. 

"Het is alsof je een orkest op één lijn krijgt, want al die stappen moeten samenwerken om tot dat eindproduct te komen," zegt co-auteur Jay Keasling. "Als je gist suiker geeft, produceert hij bier en wijn. In dit geval hebben we de ethanolroute vervangen door routes om deze natuurlijke producten te produceren."

Genetisch gemanipuleerde gist (samen met E coli) is een belangrijk micro-organisme dat wordt gebruikt bij de productie van biofarmaceutische producten. Gist is opnieuw ontworpen om andere natuurlijk voorkomende verbindingen te produceren, zoals cannabinoïden en het antimalariamedicijn artemisinine. Het proces omvat het verwijderen van een reeks biochemische reacties, of metabolische routes, uit een plantencel en het reconstrueren ervan in een gistcel. 

De heilige graal van verbindingen

Vinblastine maakt deel uit van een familie van meer dan 3.000 door planten geproduceerde moleculen, monoterpeen indoolalkaloïden (MIA's) genaamd, waarvan de FDA er verscheidene heeft goedgekeurd als therapeutische middelen. Elke MIA is afkomstig van een andere plant, waarvan sommige zeldzaam zijn of dreigen uit te sterven door overoogst, aldus Keasling. 

"Engineering van een gist om deze moleculen te produceren zou hun productie mogelijk maken via een eenvoudig platform, fermentatie, in plaats van individuele planten te moeten kweken of ze in het wild te moeten oogsten," zegt Keasling. "We hebben deze eeuwenoude methode om bier en wijn te produceren in feite gecoöpteerd om deze andere belangrijke producten te produceren."

Het internationale team van onderzoekers, geleid door de Technische Universiteit van Denemarken, wilde bewijzen dat ze allerlei MIA's synthetisch konden maken, dus begonnen ze met de meest complexe die ze kenden: vinblastine. 

Vinblastine heeft iets van 30.000 genen. De onderzoekers moesten eerst een 31-staps sequentie identificeren. Het is de langste biosynthetische route die ooit uit een plant is gehaald en in een microbe is ingebracht, aldus de onderzoekers.

Tot nu toe kon vinblastine alleen worden geproduceerd met behulp van twee actieve bestanddelen, vindoline en catharanthine, geoogst uit de bladeren van de Madagaskische maagdenpalmplant. Er is meer dan 4000 pond gedroogde bladeren nodig om één gram vinblastine te produceren. Vertragingen in de levering hebben geleid tot een internationaal tekort aan het geneesmiddel van de zomer van 2019 tot 2021. 

Hoewel de onderzoekers vinblastine niet rechtstreeks in gist konden produceren, slaagden zij erin gist genetisch te manipuleren om vindoline en catharanthine te produceren. Deze verbindingen werden vervolgens gezuiverd en chemisch gekoppeld tot vinblastine. 

Om de metabole route van vinblastine te reconstrueren waren 56 genetische bewerkingen nodig, aldus de onderzoekers. De biochemische reacties die bij elke stap van de route plaatsvinden, vereisen enzymen - dus moesten de onderzoekers ervoor zorgen dat de enzymen in de juiste hoeveelheid werden geproduceerd. 

"Je kunt niet één stap aanzienlijk beter laten werken dan alle andere stappen, of één stap die helemaal niet goed werkt," zei Keasling. De enzymen zijn ook afhankelijk van andere factoren, zoals vitaminen en mineralen, die ook in de sequentie moesten worden ingebracht. 

De onderzoekers produceerden slechts een zeer kleine hoeveelheid vinblastine, maar de techniek opent de deur voor de productie van talrijke andere natuurlijk voorkomende verbindingen, waaronder een molecuul tegen verslaving dat duur is om te maken omdat het door planten in kleine hoeveelheden wordt geproduceerd. 

"De molecule die we kozen is een soort heilige graal. Het is een grote molecule, het is echt een uitdaging om hem op een andere manier te produceren," zei Keasling. "En dus, als we deze molecule kunnen maken, betekent dat dat de andere zeker haalbaar zijn."