疫苗佐剂是为免疫系统提供更强大的感染防御能力的分子或化合物。虽然佐剂少量添加到疫苗(例如NovavaxCOVID-19疫苗)中，但它们可以产生很大的保护作用，特别是对于免疫系统不成熟的婴儿或免疫反应下降的老年人。

智利肥皂树(Quillajasaponaria)的提取物是最强​​的佐剂之一，生产起来非常困难，每公斤的成本高达数亿美元。加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家与英国约翰英尼斯中心的研究人员合作，现在报告说，他们已经利用合成生物学来生产皂皮的活性成分，一种酵母中称为QS-21的分子。

加州大学伯克利分校化学与生物分子工程教授、高级教授JayKeasling博士表示，以这种方式生产QS-21涉及将来自6种生物体的38个不同基因插入酵母中，从而构建了有史以来移植到任何生物体中最长的生物合成途径之一。伯克利实验室的教授科学家。

虽然基于酵母的工艺的产量仍然很小，一升肉汤的产量只有几百美元，但这一成就有望使最有效的佐剂之一得到更广泛的应用，并总体上降低疫苗的成本。在酵母中生产这些类型的化合物不仅更便宜，而且更环保，避免了从植物中提取化合物所需的许多腐蚀性和有毒化学物质。基于酵母的工艺还可用于帮助研究人员开发改进的疫苗佐剂。

“在大流行期间，公共卫生官员非常担心QS-21佐剂的可用性，因为它只来自一棵树，”研究负责人Keasling指出。“从世界健康的角度来看，非常需要这种佐剂的替代来源。”前加州大学伯克利分校博士后研究员、现任加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯研究所助理教授的YuzhongLiu博士补充道：“在酵母中生产强效疫苗佐剂QS-21凸显了合成生物学在解决主要环境、环境和环境问题方面的力量。以及人类健康挑战。”

Liu是该团队在《自然》杂志上发表的论文的第一作者，论文题为“工程酵母中QS-21的完整生物合成”，其中科学家们得出结论：“……酵母生物合成平台通过表达来提供生产QS-21结构变体的巨大机会替代途径酶或通过制造QS-21片段，利用酶的混杂性来寻找疫苗佐剂的新线索。”

作者解释说，佐剂通过刺激或增强人体对病原体或疾病特异性抗原的免疫反应来提高疫苗的功效。由于佐剂使疫苗更有效，因此它们还允许医生使用更小剂量的抗原。在20世纪20年代，人们首次注意到在疫苗中添加佐剂的好处，当时人们发现明矾(铝盐氢氧化铝)可以提高白喉疫苗的有效性。研究小组指出，明矾已被添加到许多使用病原体的一部分来诱导免疫力的疫苗中，并且是使用最广泛、经临床批准的疫苗佐剂。

在发现明矾可以提高疫苗的有效性后不久，一组类似肥皂的分子也被发现具有同样的作用。到了20世纪60年代，研究人员将注意力集中在智利肥皂树的提取物上，这种提取物可以强烈激活免疫系统的不同组成部分，从而放大单独给予疫苗抗原的效果。在过去25年里，该提取物的一种成分QS-21一直是疫苗中主要的非铝佐剂之一，已经过120多项临床试验的测试。它存在于为老年人注射的带状疱疹疫苗(Shingrix)、目前用于儿童预防恶性疟原虫的疟疾疫苗(Mosquirix)以及NovavaxCOVID-19疫苗中。

然而，作者指出，“尽管有重大商业利益，但QS-21的可用性仍然有限，这主要是由于其结构复杂性。”QS-21是通过从肥皂树上剥离树皮并通过化学方法提取和分离其中的许多化合物而生产的，其中一些化合物是有毒的。“传统上，QS-21是从皂树皂皮树的树皮中提取的，这种树原产于智利，”作者解释道。“分离很复杂，因为植物提取物含有多种不同结构相关的皂树皂苷，使得纯化过程非常费力且产量低。”这种传统的提取和净化方法也会破坏树皮，促使政府加强对砍伐森林的监管。

事实上，复杂的QS-21分子包含一个萜烯核心和八个糖分子，虽然它是在实验室合成的，但这种合成需要79个单独的步骤，从本身必须合成的中间化学品开始。“……总产量可以忽略不计，”作者指出。“因此，开发更具可持续性和可扩展性的替代生产工艺将有助于满足对强效疫苗佐剂不断增长的需求，并满足现有或新兴的医疗需求。”

凯斯林是美国能源部资助的联合生物能源研究所(JBEI)的首席执行官，他被要求尝试在酵母中重建合成过程，因为他多年来一直致力于向酵母添加基因，使它们能够制造萜烯化合物，其中其中包括抗疟药青蒿素，还有香料和调味品。萜烯化合物，就像松树气味的化合物一样，通常是芳香的。

“这项工作建立在我们的疟疾工作基础上，”基斯林解释道。“我们致力于疟疾治疗。现在，这可能成为未来疟疾疫苗的佐剂。”

研究小组表示，添加八种糖被证明具有挑战性，平衡酵母中酶之间意想不到的相互作用也是如此。所有这一切都必须在不破坏酵母生长所需的关键代谢途径的情况下完成。“它有八种糖，中间有一种萜类化合物。我的意思是，它使青蒿素生物合成途径看起来毫无意义，”基斯林指出。

基斯林和刘领导的实验室同事与约翰·英尼斯中心的植物研究员安妮·奥斯本博士密切合作。Osbourn早些时候已经梳理出了皂皮树生产天然QS-21所涉及的许多酶促步骤。在过去的五年里，随着奥斯本发现了该过程中的新步骤并在烟草植物中进行了测试，基斯林的实验室逐渐将这些新基因添加到酵母中以复制合成步骤。

“这是一次很棒的合作，因为一旦她在途径中获得了新基因，他们就会将其发送给我们，然后我们将其放入酵母中，”基斯林说。“这对她也有好处，因为她接受了测试，看看她的烟草检测是否告诉她正确的事情。”

今年早些时候，Osbourn和Keasling发表了肥皂树生产QS-21(在烟草中重组)的完整20个步骤的过程。不幸的是，烟草是植物化学的试验台，但不是生产化合物的可扩展方法。

新报道的成就将该过程切换到酵母，并采取了额外的步骤，因为酵母不含有植物中天然存在的一些酶。目前，一升发酵生物工程酵母三天内可生产约100微克QS-21，市场价值约200美元。“即使按照我们生产的水平，它也比从工厂生产更便宜，”凯斯林说。“我很高兴合成生物学已经取得了如此大的进步，我们现在可以建立一条生产QS-21这样的分子的途径。这证明了该领域在过去二十年中取得了多大的进步。”

作者补充道：“我们在工程酵母菌株中展示了QS-21的全生物合成，凸显了用大规模工业发酵替代种植园皂苷供应的可能性，这可以显着提高QS-21的可用性，以满足对强效疫苗佐剂的需求不断增长。”

研究小组指出，目前使用的酵母菌株产生的QS-21低于树的w/w产量，但这种情况需要持续几天。“因此，酵母中QS-21的产生速度仍然比本地皂树快得多(大约1,000倍)，后者只有在树龄达到30-50岁时才在树中产生QS-21年。”

研究人员指出，酵母生物合成也是可扩展的，而且工程酵母仅以糖为食，这是一个额外的优势，凯斯林指出。“我的全部想法是，我想用一种糖来制作一切。我只想给酵母喂葡萄糖，因为最终我们希望这个过程能够规模化。如果你给他们提供一堆奇特的中间体，那么这将导致一个不可扩展的过程，”基斯林说。“最后，我想从葡萄糖开始，这样当在大型罐中进行生产时，他们就能够尽可能轻松且廉价地生产QS-21。”

作者承认，要大规模生产酵母衍生的QS-21，需要在菌株工程、生产和发酵方案以及下游提取和纯化工艺方面进行进一步的关键开发。尽管如此，他们表示，“......这一领域的里程碑式成功，例如抗疟疾前体青蒿酸的工业规模生产，为微生物生物制造的新机遇铺平了道路。”

虽然Keasling计划将大规模生产QS-21的基于酵母的生产工艺的优化留给其他人，但他确实希望调整他引入酵母的酶促步骤，以生产QS-21的变体，这些变体可能会更有效。比QS-21更有效。酵母生物合成使他能够尝试修剪QS-21分子，看看哪些部分可以被消除而不改变分子的有效性。正如该团队在论文中总结的那样，“由于几种酶的混杂，QS-21的结构类似物是使用此处描述的生物合成平台生产的;这将使未来能够建立结构-生物活性关系，并有助于合理设计有效的疫苗佐剂。”

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