Questi cosiddetti adiuvanti vengono aggiunti in piccole quantità ma hanno un grande effetto protettivo, in particolare nei neonati con un sistema immunitario immaturo e negli anziani con una risposta immunitaria in declino.

Tuttavia, uno dei coadiuvanti più potenti, un estratto della pianta cilena della corteccia di sapone, è così difficile da produrre che costa diverse centinaia di milioni di dollari al chilogrammo (2,2 libbre).

Gli scienziati dell’Università della California, Berkeley e del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno ora esercitato il potere della biologia sintetica per produrre il principio attivo della corteccia di sapone, una molecola chiamata QS-21, nel lievito. Produrre composti come questo nel lievito non solo è più economico, ma anche più rispettoso dell’ambiente, poiché evita molte delle sostanze chimiche caustiche e tossiche necessarie per estrarre il composto dalle piante. I risultati sono stati pubblicati l'8 maggio sulla rivista Nature .

Anche se i rendimenti del processo a base di lievito sono ancora piccoli – poche centinaia di dollari per un litro di brodo – l’impresa promette di rendere disponibile su scala più ampia uno degli adiuvanti più efficaci e di abbassare il costo dei vaccini, in generale. /P>

"Durante la pandemia, gli ufficiali della sanità pubblica erano davvero preoccupati per la disponibilità dell'adiuvante QS-21 perché proviene da un solo albero", ha affermato Jay Keasling, professore di ingegneria chimica e biomolecolare alla UC Berkeley e scienziato senior presso il Berkeley Lab. "Dal punto di vista della salute mondiale, c'è molto bisogno di una fonte alternativa di questo adiuvante."

La produzione di QS-21 ha comportato l'inserimento di 38 geni diversi provenienti da sei organismi nel lievito, costruendo uno dei percorsi biosintetici più lunghi mai trapiantati in qualsiasi organismo, ha affermato Keasling.

"La produzione del potente adiuvante del vaccino QS-21 nel lievito evidenzia il potere della biologia sintetica nell'affrontare sia le principali sfide ambientali che quelle umane", ha affermato Yuzhong Liu, ex ricercatore post-dottorato dell'UC Berkeley, primo autore dell'articolo e ora un assistente professore alla Scripps Research di La Jolla, California.

Basarsi sul lavoro sulla malaria

Il vantaggio di aggiungere un adiuvante a un vaccino fu notato per la prima volta negli anni ’20, quando si scoprì che l’allume, un sale di alluminio, aumentava l’efficacia di un vaccino contro la difterite. Da allora l’allume è stato aggiunto a molti vaccini che utilizzano una parte di un agente patogeno, sebbene non la parte infettiva, per indurre l’immunità. Poiché gli adiuvanti rendono i vaccini più efficaci, consentono anche ai medici di utilizzare dosi più piccole del principio attivo, chiamato antigene.

Non molto tempo dopo che si scoprì che l’allume aumentava l’efficacia dei vaccini, si scoprì che un gruppo di molecole simili al sapone avevano lo stesso effetto. Negli anni '60, i ricercatori si erano concentrati su un estratto della corteccia di sapone cilena (Quillaja saponaria) che attiva fortemente diversi componenti del sistema immunitario per amplificare l'effetto della somministrazione del solo antigene vaccinale.

Negli ultimi 25 anni, un componente di quell’estratto, il QS-21, è stato uno dei principali adiuvanti non contenenti alluminio nei vaccini, essendo stato testato in più di 120 studi clinici. Si trova nel vaccino contro l'herpes zoster (Shingrix) somministrato agli anziani, in un vaccino contro la malaria (Mosquirix) attualmente utilizzato nei bambini per proteggersi dal parassita Plasmodium falciparum e nel vaccino Novavax SARS-COVID-19.

Il QS-21 viene prodotto oggi rimuovendo la corteccia dall'albero ed estraendo e separando chimicamente i suoi numerosi composti, alcuni dei quali sono tossici. Sebbene la QS-21 sia una molecola complessa contenente un nucleo terpenico e otto molecole di zucchero, è stata sintetizzata in laboratorio. Ma questa sintesi richiede 79 passaggi separati, a partire da una sostanza chimica intermedia che deve essere sintetizzata a sua volta.

A Keasling, che è l'amministratore delegato del Joint BioEnergy Institute (JBEI) di Emeryville, in California, è stato chiesto di provare a ricreare il processo di sintesi nel lievito perché ha lavorato per anni aggiungendo geni al lievito per indurli a produrre composti terpenici, tra cui loro l'artemisinina, un farmaco antimalarico, ma anche profumi e aromi. I composti terpenici, come quelli responsabili del profumo dei pini, sono spesso profumati.

"Questo lavoro si basa sul nostro lavoro sulla malaria", ha detto. "Abbiamo lavorato sulla terapia contro la malaria. Ora, questa potrebbe essere un adiuvante per i vaccini contro la malaria in futuro."

L’aggiunta degli otto zuccheri si è rivelata impegnativa, così come il bilanciamento delle interazioni insospettate tra gli enzimi nel lievito. Tutto ciò doveva essere realizzato senza compromettere i percorsi metabolici critici necessari per la crescita del lievito.

"Ha otto zuccheri e un terpenoide nel mezzo. Voglio dire, fa sembrare il percorso biosintetico dell'artemisinina nulla", ha detto Keasling. "Sono felice che la biologia sintetica sia arrivata a un punto tale che ora possiamo costruire un percorso per produrre una molecola come QS-21. È una testimonianza di quanto sia progredito il campo negli ultimi due decenni."

Lui e i suoi colleghi di laboratorio, guidati dal ricercatore post-dottorato Liu, hanno lavorato a stretto contatto con la ricercatrice vegetale Anne Osbourn presso il John Innes Centre nel Regno Unito. Osbourn aveva già spiegato in precedenza i numerosi passaggi enzimatici coinvolti nella produzione del QS-21 naturale da parte dell'albero della corteccia di sapone. Negli ultimi cinque anni, quando Osbourn ha scoperto nuove fasi del processo e le ha testate nelle piante di tabacco, il laboratorio di Keasling ha gradualmente aggiunto questi nuovi geni al lievito per replicare le fasi sintetiche.

"È stata una grande collaborazione, perché non appena avesse ottenuto un nuovo gene nel percorso, lo avrebbero inviato a noi e lo avremmo inserito nel lievito", ha detto Keasling. "È stato un bene anche per lei, perché ha potuto verificare se il test del tabacco le diceva la cosa giusta."

'Tutto da un unico zucchero'

All'inizio di quest'anno, Osbourn e Keasling hanno pubblicato il processo completo in 20 fasi attraverso il quale l'albero della corteccia di sapone produce il QS-21, ricostituito nel tabacco. Sfortunatamente, il tabacco è un banco di prova per la chimica vegetale, ma non un modo scalabile per produrre un composto chimico.

Il nuovo documento ricostituisce quel processo nel lievito, con l’aggiunta di ulteriori passaggi perché il lievito non contiene alcuni enzimi che esistono naturalmente nelle piante. Attualmente, un litro di lievito bioingegnerizzato in fermentazione può produrre circa 100 microgrammi di QS-21 in tre giorni, con un valore di mercato di circa 200 dollari. Ma la biosintesi del lievito è scalabile.

"Anche ai livelli a cui lo stiamo producendo, è più economico che produrlo direttamente dall'impianto", ha affermato Keasling.

Il lievito ingegnerizzato si nutre solo di zucchero, il che è un ulteriore vantaggio, ha detto.

"La mia idea è che voglio fare tutto da un singolo zucchero. Voglio solo nutrire il lievito con glucosio, perché alla fine vogliamo che questo processo venga ridimensionato. E se gli dai da mangiare un sacco di prodotti intermedi fantasiosi, allora il risultato sarà in un processo che non è scalabile", ha detto Keasling. "Alla fine, mi piacerebbe iniziare con il glucosio, così quando la produzione viene eseguita in grandi serbatoi, saranno in grado di produrre QS-21 nel modo più semplice ed economico possibile."

Sebbene Keasling abbia intenzione di lasciare ad altri l'ottimizzazione del processo per la produzione su larga scala, spera di modificare i passaggi enzimatici che ha introdotto nel lievito per produrre varianti di QS-21 che potrebbero essere potenzialmente più efficaci di QS-21. E la biosintesi del lievito gli permette di sperimentare la potatura della molecola QS-21 per vedere quali porzioni possono essere eliminate senza alterare l'efficacia della molecola.