Funzionalizzazione della strictosidina-β-D-glucosidasi (SGD) nel lievito. a, produzione di THA in ceppi di lievito che esprimono CroSTR e CroTHAS insieme a SGD da C. roseus (CroSGD) o R. serpentina (RseSGD). conc., concentrazione. b, proteina RseSGD divisa in quattro domini sulla base della conservazione della sequenza tra CroSGD e RseSGD, indicata come R1 (giallo), R2 (blu), R3 (rosso) e R4 (ciano); struttura cristallina (ID PDB 2jf6). c, produzione di THA da SGD ibridi costruiti mescolando quattro domini tra le sequenze di C. roseus (indicato da C) e R. serpentina (indicato da R). La prima lettera degli SGD ibridi sull'asse x è il dominio 1, la seconda lettera il dominio 2 e così via. I dati sono presentati come media ± s.d. (n = 3) (a,c). *P < 0,01; **P <0,0001. Il t-test a due code di Student. Ulteriori analisi statistiche sono disponibili nel file di dati di origine. Credito:Natura (2022). DOI:10.1038/s41586-022-05157-3
Nell'estate e nell'autunno del 2019, alcuni malati di cancro hanno subito interruzioni del trattamento. Il motivo era la carenza dei farmaci vinblastina e vincristina, farmaci chemioterapici essenziali per diversi tipi di cancro.
Non ci sono alternative a questi farmaci che sono isolati dalle foglie della pianta pervinca del Madagascar, Catharanthus roseus. Due principi attivi della pianta-vindolina e catarantina, insieme formano la vinblastina, che inibisce la divisione delle cellule tumorali.
Sebbene la pianta sia comune, sono necessari più di 2000 kg di foglie essiccate per produrre 1 g di vinblastina. La carenza del 2019 che è durata fino al 2021 è stata principalmente causata da ritardi nella fornitura di questi ingredienti.
Un team internazionale interdisciplinare di scienziati guidato da ricercatori DTU ha geneticamente modificato il lievito per produrre vindolina e catarantina. Sono anche riusciti a purificare e ad accoppiare i due precursori per formare la vinblastina. Pertanto, è stato scoperto un nuovo approccio sintetico alla produzione di questi farmaci. I loro risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Nature .
La ricerca potrebbe portare a nuove fonti di vindolina, catarantina e altri alcaloidi che sono del tutto indipendenti da fattori che influenzano la coltivazione delle colture, come malattie delle piante e disastri naturali. Poiché gli ingredienti essenziali per produrre questi composti sono lievito di birra e semplici substrati rinnovabili come zuccheri e aminoacidi, la produzione è anche meno vulnerabile alle pandemie e alle sfide logistiche globali, secondo Jie Zhang, ricercatore senior presso DTU Biosustain, autore principale del nuovo carta:
"Negli ultimi anni, abbiamo assistito a diverse incidenze di carenza di questi farmaci nel mercato. Si verificano più spesso e molto probabilmente si ripresenteranno in futuro. Naturalmente, prevediamo di stabilire nuove catene di approvvigionamento per queste e altre molecole. Questo risultato è un proof of concept e c'è ancora molta strada da fare in termini di upscaling e ulteriore ottimizzazione della cell factory per produrre gli ingredienti in modo conveniente."
La possibile nuova filiera dei farmaci antitumorali
Oltre ad essere il primo studio a dimostrare una catena di approvvigionamento completamente nuova per questi farmaci essenziali contro il cancro, lo studio mostra il percorso biosintetico più lungo, o "catena di montaggio", inserito in una fabbrica di cellule microbiche. Secondo Jie Zhang, quest'ultimo è un risultato promettente in sé e per sé.
La vinblastina appartiene ai cosiddetti alcaloidi indolici monoterpenici, in breve, gli MIA. Le MIA sono biologicamente molto attive e utili nel trattamento di varie malattie. Tuttavia, sono molecole altamente complesse e, quindi, difficili da produrre sinteticamente. Questo studio mirava a dimostrare che i ricercatori potevano farlo.
"Per dimostrare la fattibilità della produzione microbica di tutte le MIA, abbiamo scelto una delle sostanze chimiche più complesse conosciute dalla chimica delle piante. Non conoscevamo il percorso completo necessario per produrre la vinblastina quando abbiamo iniziato nel 2015. Inoltre non ne eravamo a conoscenza delle carenze che la società deve affrontare. Era il percorso più lungo che conoscevamo e sapevamo che probabilmente codificava reazioni enzimatiche di 30 qualcosa. La grande sfida era come programmare una singola cellula di lievito con oltre 30 passaggi e garantire comunque che la cellula riprogrammata avrebbe funzionato secondo necessità pur essendo in grado di sostenersi da solo. Questa è stata la sfida principale e la parte più importante della nostra ricerca. Non è stato affatto semplice", afferma Jie Zhang.
Michael Krogh Jensen, ricercatore senior presso la DTU e uno degli autori corrispondenti dello studio, aggiunge:"Dobbiamo mettere il giusto 'personale' lungo la catena di montaggio della cellula. Abbiamo anche bisogno di un'integrazione da altre linee di montaggio già nella cellula di lievito per fare funziona senza intoppi. Abbiamo bisogno di quelli che vengono chiamati cofattori. Devi anche assicurarti che, allo stesso tempo, il materiale di partenza sia a posto per altre funzioni essenziali nella cellula."
Il team ha eseguito cinquantasei modifiche genetiche per programmare il percorso biosintetico in 31 fasi nel lievito di birra. Sebbene il lavoro sia stato difficile e sia necessario ulteriore lavoro, gli autori prevedono che le cellule di lievito saranno una piattaforma scalabile per la produzione di oltre 3.000 MIA presenti in natura e milioni di analoghi nuovi alla natura in futuro.
"In questo progetto, stavamo cercando nuovi modi per produrre una chimica complessa essenziale per la salute umana, sebbene la tecnologia possa essere utile anche in agricoltura e scienze dei materiali. La biotecnologia offre qualcosa di eccitante perché la sintesi chimica è difficile da scalare e le risorse naturali sono limitate Riteniamo che sia necessario un terzo approccio:la fermentazione o la produzione di cellule intere. Le linee di assemblaggio conosciute dalla natura sono collegate a cellule microbiche e consentono alle cellule di produrre alcune di queste complesse sostanze chimiche", afferma Michael Krogh Jensen.
Secondo gli autori, tra i molti nuovi MIA essenziali che possono ora essere prodotti sulla base della loro nuova piattaforma ci sono i farmaci chemioterapici vincristina, irinotecan e topotecan. Tutti sono anche nell'elenco dei farmaci essenziali dell'Organizzazione mondiale della sanità insieme alla vinblastina.
La ricerca sottolinea ulteriormente i recenti sviluppi all'interno della biologia sintetica, dove il lievito ingegnerizzato viene utilizzato per la produzione di medicinali. Altre molecole che le fabbriche di cellule possono ora produrre includono potenziali farmaci per il trattamento del cancro, del dolore, della malaria e del morbo di Parkinson.
La produzione di farmaci che altrimenti provengono da piante in fermentatori su scala industriale utilizzando substrati economici e rinnovabili può alleviare carenze future e creare un'economia più sostenibile indipendente da organismi d'allevamento o rari.
L'autore corrispondente Jay D. Keasling, professore di ingegneria chimica e biomolecolare all'Università della California, Berkeley e direttore scientifico della DTU Biosustain, è stato a lungo un pioniere della biologia sintetica in prima linea nell'utilizzarla per produrre molecole essenziali. Caso in questione:nel 2003, ha ingegnerizzato con successo i batteri E. coli per produrre un precursore dell'artemisinina, un farmaco antimalarico. Successivamente, avrebbe ingegnerizzato l'intero percorso nelle cellule di lievito, proprio come le cellule di lievito possono ora essere utilizzate per produrre vindolina e catarantina.
"Il percorso metabolico che abbiamo costruito nel lievito è il percorso biosintetico più lungo che sia mai stato ricostituito in un microrganismo. Questo lavoro dimostra che percorsi metabolici molto lunghi e complicati possono essere prelevati da quasi tutti gli organismi e ricostituiti nel lievito per fornire le terapie tanto necessarie che sono troppo complicati da sintetizzare utilizzando la chimica sintetica. Poiché il lievito è intrinsecamente scalabile, questo lievito ingegnerizzato potrebbe un giorno fornire vinblastina e altre 3.000 molecole correlate in questa famiglia di prodotti naturali. Questo non solo aumenterà la fornitura e ridurrà il costo di questi prodotti per i consumatori, ma la produzione è anche rispettosa dell'ambiente perché elimina la necessità di raccogliere piante a volte rare da ecosistemi sensibili per ottenere le molecole". + Esplora ulteriormente
