Hva er det bioteknologisk mest avanserte vi kan skape? Hvordan kan vi ta sopper og bakterier og få dem til å gi oss ting vi trenger til for eksempel livsviktige medisiner?

Det spørsmålet stilte Michael Krogh Jensen, seniorforsker ved DTU Biosustain, og kollegene hans for mer enn sju år siden.

Nå har de fått utgitt en studie i tidsskriftet Nature der de viser hvordan de har genspleiset gjær til å produsere vindolin og katharanthin. Det er to forstadier til kreftmedisinen vinblastin.

En forsker som ikke har deltatt i arbeidet, er begeistret.

– Dette er en av de mest imponerende demonstrasjonene av hva syntetisk biologi kan oppnå, sier Michele Fabris, forsker i bioteknologi ved Syddansk Universitet (SDU).

Forsyningsproblemer

Det forskerne har gjort i studien, er virkelig kompleks kjemi.

De har funnet en syntetisk tilnærming til framstilling av plantemolekyler.

– Disse medisinske stoffene blir utvunnet av planter som vokser sakte. Det skaper store forsyningsproblemer, forteller Michael Krogh Jensen.

I dag isoleres vinblastin fra bladene fra planten rosgravmyrt, Catharanthus roseus. Planten er vanlig, men det må opptil to tonn tørkede blader til for å produsere ett gram vinblastin.

Fra 2019 til 2021 var det stor mangel på stoffet.

Det vil trolig skje igjen i framtiden. Forskerne håper derfor å etablere nye forsyningskjeder for disse og andre livsnødvendige molekyler.

Gjær kan kanskje avløse planter

Prosjektet utviklet seg altså fra å være en forsøksstudie for å se hvor kompleks en celle forskerne kunne produsere, til også å være en mulig løsning på hvordan vi unngår forsyningsproblemer i framtiden.

– Det førte til en utvidelse av prosjektet. Vi fikk ytterligere finansiering og har nå vist at de to naturproduktene kan settes sammen til å lage vinblastin. Det har vi gjort ut fra en encellet organisme, gjær, i stedet for planter, sier Jensen.

Ifølge Eva Arnspang Christensen, førsteamanuensis og leder for seksjon for bioteknologi ved SDU, er det et skritt i riktig retning for syntese for en biologisk organisme.

– Kanskje kan vi produseres stoffer på denne måten i stedet for ved kjemisk syntese som er en dyr og forurensende sektor, sier Christensen.

– Forskerne har designet en lang syntesevei fra planter i genspleiset gjær og vist at den kunne produsere de ønskede plantemolekylene.

Vinblastin kan produseres ved hjelp av kjemisk syntese, men det er en prosess med veldig lite utbytte og bruk av reaksjoner som ikke egner seg til industriell framstilling. Blant annet på grunn av store temperatursvingninger og større mengder helsefarlig kjemi som katalysator for de kjemiske reaksjonene.

Kompleks kjemi

Det er første gang forskere demonstrerer en helt ny forsyningskjede for disse viktige legemidlene mot kreft. De viser den så langt lengste biosyntetiske veien – eller det lengste «samlebåndet» – satt inn i en mikrobiell cellefabrikk, noe som er et lovende resultat i seg selv.

Å bli satt inn i en cellefabrikk betyr at alle de genene som er brukt til å produsere enzymer til biosyntese av disse stoffene i planter, har blitt klonet og satt inn i gjær-genom via genspleising.

– Vi kaller gjærceller for en fabrikk som en analogi til det «samlebåndsarbeidet» cellen skal utføre med alle de nye enzymene til stede, forklarer Michael Krogh Jensen.

Den lengste biosynteseveien refererer til antallet reaksjoner som har blitt brukt fra de nærmeste byggesteinene som gjær naturlig har i metabolismen sin, og fram til sluttproduktet.

I dette tilfellet var det snakk om 30 reaksjoner. De 30 reaksjonene utgjør til sammen den så langt lengste biosynteseveien som er genspleiset inn i en mikrobe.

– Hvis vi kunne ha gjort veien kortere, ville vi gjort det, men de 30 enzymene utgjør den korteste veien til så komplekse molekyler som vindolin og katharanthin, sier Jensen.

Enzymer screenes for å komme fram til det rette

Vinblastin hører til de såkalte monoterpenindolalkaloidene – eller bare «MIA». MIA er biologisk aktive og nyttige til behandling av ulike sykdommer. Men de er veldig komplekse molekyler og er derfor vanskelige å produsere syntetisk. Det var derfor forskernes formål å bevise at de kunne gjøre det ved hjelp av bioteknologi og fermentering.

Blant alle de nye viktige MIA-ene som nå kan bli produsert basert på den nye plattformen, er de kjemoterapeutiske legemidlene vincristin, irinotecan og topotecan. Alle er på Verdens helseorganisasjons liste over essensielle legemidler, sammen med vinblastin.

– Når vi skal lage en så lang biosyntesevei, er det viktig at de plante-enzymene som blir satt inn i gjærceller, fungerer godt. Det krever ofte screening av mange enzymvarianter å finne den som fungerer optimalt. Vi trenger også «arbeidskraft» fra andre enzymer, sier Jensen.

Det kan være enzymer som er nødvendige for biosyntesen av byggesteiner – eller kofaktorer – som enzymene i biosynteseveien trenger for å kunne fungere. Dessuten må forskerne sørge for at det samtidig er nok kofaktorer til at alle de «vanlige», men essensielle, enzymene som gjærcellen bruker for å kunne vokse.

Kan kanskje erstatte den kjemiske syntesen

I alt utførte forskerne 56 genetiske redigeringer for å programmere den 30 trinn lange biosyntetiske veien inn i bakegjær. Det var vanskelig og det er absolutt behov for mer arbeid, men forskerne forventer at gjærceller vil være en skalerbar plattform for å produsere mer enn 3.000 naturlig forekommende MIA-er og millioner av nye analoger i naturen i framtiden.

– Det er en lang og komplisert syntesevei de nå har laget. 30 trinn er komplekst, sier Eva Arnspang Christensen.

– Men det er viktig. For får man det først i gang i gjær, akkurat som Novo Nordisk, som produserer insulin i enorme bioreaktorer, kan man lage en syntesevei slik at man kan produsere det i biologiske organismer kontrollert. Og da slipper man den kjemiske syntesen som er så lang og dyr.

En tredje tilnærming

Da forskerne satte seg ned for en brainstorming i 2015, var det nettopp for å finne nye måter å framstille kompleks kjemi som er avgjørende for menneskers helse.

– Bioteknologi er spennende fordi kjemisk syntese er vanskelig å skalere opp, og naturressursene er begrensede. Vi mener at det er behov for en tredje tilnærming: fermentering eller helcelleframstilling. De samlebåndene som er kjent fra naturen, er satt inn i mikrober som produserer noen av disse komplekse kjemikaliene, sier Michael Krogh Jensen.

Den metabolske veien som forskerne konstruerte i gjær, er den lengste som noen gang har blitt genspleiset inn i en mikroorganisme. Studien viser at veldig lange og kompliserte biosynteseveier kan tas fra nesten enhver organisme og genspleises inn i gjær for å levere tiltrengte legemidler som er for kompliserte til å syntetisere ved hjelp av syntetisk kjemi eller sliter på naturressursene våre.

Gjær er naturligvis skalerbart. Den konstruerte gjæren kan derfor være første skritt mot en løsning som en dag leverer vinblastin til kreftpasienter. Og til produksjon av noen av de 3.000 andre relaterte molekylene i denne familien av naturlige produkter.

Det er fortsatt et stykke fram

Men studien er bare en test av konseptet.

Det er altså fortsatt lang vei å gå for å skalere opp og forbedre cellefabrikken til å produsere ingrediensene på en kostnadseffektiv måte.

– Det er en modellstudie. Vi har vist at det er mulig. Men skal det ha en pris som WHO og sykehus vil akseptere, må det forbedres på de cellene vi har laget. Skal vi gjøre om sukker til vinblastin, ligger vi langt over dagens pris, på om lag 1.000 dollar per gram. Det vil ikke gå i dag, sier Jensen.

– Teknologien er ikke klar. Cellene vi har laget, er fortsatt ikke klare til industriell skala. Så det skal vi jobbe videre med.

Referanse:

Jie Zhang Nature: A microbial supply chain for production of the anti-cancer drug vinblastine. Nature, 2022. DOI: s41586-022-05157-3

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.