在酵母中製造的佐劑可以降低疫苗成本並提高疫苗的可及性

疫苗挽救了生命，這在最近的疫情中得到了證明，但大多數疫苗（包括 Novavax COVID-19 疫苗）的一個組成部分卻鮮為人知：一種促進免疫系統對感染產生更強抗禦能力的分子或其他化合物。

這些所謂的佐劑添加的量很少，但具有很大的保護作用，尤其是在免疫系統尚未發育成熟的嬰兒和免疫反應下降的老年人中。

然而，最強效的佐劑之一，智利肥皂樹提取物，生產起來非常困難，每公斤（2.2 磅）的成本高達數億美元。

加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 的科學家們現在利用合成生物學的力量，在酵母中生產了肥皂樹的活性成分，一種稱為 QS-21 的分子。在酵母中生產這樣的化合物不僅更便宜，而且更環保，避免了從植物中提取該化合物所需的許多腐蝕性和有毒化學物質。

雖然酵母基生產過程的產量仍然很小——一公升培養液的產量價值幾百美元——但這一壯舉有望使最有效的佐劑之一得到更廣泛的應用，並降低疫苗的整體成本。

「在大流行期間，公共衛生官員非常擔心 QS-21 佐劑的可用性，因為它只來自一種樹。」加州大學伯克利分校化學和生物分子工程教授、伯克利實驗室生物科學區資深教員科學家 Jay Keasling 說。「從世界衛生角度來看，非常需要這種佐劑的替代來源。」

Keasling 說，QS-21 的生產涉及將來自六種生物體的 38 個不同基因插入酵母中——構建了有史以來移植到任何生物體中最長的生物合成途徑之一。

「在酵母中生產有效的疫苗佐劑 QS-21，突出了合成生物學在應對重大環境和人類健康挑戰方面的強大力量。」前加州大學伯克利分校博士後研究員 Yuzhong Liu 說，他是該論文的第一作者，現在是加州拉霍亞斯克里普斯研究所的助理教授。

研究結果發表在今天的《自然》雜誌上。

延續瘧疾研究的成果

在疫苗中添加佐劑的好處最早在 20 世紀 20 年代就被注意到，當時發現明礬（一種鋁鹽）可以提高白喉疫苗的有效性。從那以後，明礬就被添加到許多使用病原體一部分（但不是傳染部分）來誘導免疫力的疫苗中。因為佐劑使疫苗更有效，它們也使醫生可以使用更少劑量的活性成分，稱為抗原。

在發現明礬可以提高疫苗有效性不久後，人們發現一組皂類分子也可以做到這一點。到了 20 世紀 60 年代，研究人員已經將重點放在智利肥皂樹 (Quillaja saponaria) 的提取物上，該提取物強烈激活免疫系統的不同組成部分，以放大單獨給予疫苗抗原的效果。在過去的 25 年裡，該提取物的一種組成部分——QS-21——一直是非鋁佐劑中的主要佐劑之一，已在 120 多項臨床試驗中得到檢驗。它存在於給予老年人的帶狀皰疹疫苗 (Shingrix) 中，存在於目前用於保護兒童免受瘧原蟲 (Plasmodium falciparum) 感染的瘧疾疫苗 (Mosquirix) 中，以及 Novavax 的 SARS-COVID-19 疫苗中。

如今，QS-21 的生產方法是剝去樹皮，並通過化學方法提取和分離其許多化合物，其中一些化合物是有毒的。儘管 QS-21 是一種複雜的分子，包含一個萜類核心和八個糖分子，但它已經在實驗室中被合成出來。但這種合成需要 79 個單獨的步驟，從本身也必須合成的中間體化學物質開始。

Keasling 決定嘗試在酵母中重現合成過程，因為多年來他成功地將基因添加到酵母中，使它們能夠製造萜烯和其他具有複雜結構的化合物，包括重要的藥物、生物燃料、香味和調味品。在 21 世紀初，他領導了一個團隊，開發了有史以來的第一條生物合成途徑，生產出一種可以生產青蒿素的酵母菌株，青蒿素是一種最初從植物中提取的、基於萜烯的抗瘧疾藥物。

「這項工作建立在我們對瘧疾的研究之上。」他說。「我們研究了瘧疾療法。現在，這可能成為未來瘧疾疫苗的一種佐劑。」

添加八個糖證明具有挑戰性，酵母中酶之間意想不到的相互作用的平衡也是如此。所有這些都必須在不影響酵母生長所需的關鍵代謝途徑的情況下完成。

「我的意思是，這使得青蒿素生物合成途徑看起來微不足道。」Keasling 說。「我很欣慰合成生物學已經發展到如此程度，我們現在可以建立一條生產像 QS-21 這樣的分子的途徑。這證明了該領域在過去二十年裡取得了多大的進步。」

他和他的實驗室同事在英國約翰英納斯中心的植物研究員 Anne Osbourn 的密切合作下，由博士後研究員 Liu 領導。Osbourn 早些時候已經闡明了智利肥皂樹生產天然 QS-21 所涉及的許多酶促步驟。在過去五年裡，隨著 Osbourn 發現該過程中的新步驟並在菸草植物中進行測試，Keasling 的實驗室逐漸將這些新基因添加到酵母中，以複製合成步驟。

「這是一次非常棒的合作，因為一旦她獲得途徑中的新基因，他們就會把它送到我們這裡，我們就會把它放入酵母中。」Keasling 說。「這對她來說也很好，因為她得到了對她的菸草檢定是否告訴了她正確信息的檢驗。」

「從單一糖中產生一切」

今年早些時候，Osbourn 和 Keasling 發表了智利肥皂樹生產 QS-21 的完整 20 個步驟的過程，該過程在菸草中被重現。不幸的是，菸草是植物化學的試驗台，但並不是生產化合物的可擴展方法。

新的論文在酵母中重現了這一過程，並增加了額外的步驟，因為酵母不含植物中自然存在的一些酶。目前，一公升發酵的生物工程酵母可以在三天內生產約 100 微克的 QS-21，市場價值約為 200 美元。但酵母生物合成是可擴展的。

「即使在我們目前的生產水平下，它也比從植物中生產更便宜。」Keasling 說。

他說，工程酵母僅依靠糖生存，這是一個額外的優勢。

「我的全部想法是，我想從單一糖中產生一切。我只想餵酵母葡萄糖，因為最終我們希望這個過程能夠擴展。如果你給它們餵食一堆精緻的中間體，那麼這將導致一個不可擴展的過程。」Keasling 說。「最後，我希望從葡萄糖開始，這樣當生產在大型罐中進行時，它們就能夠盡可能輕鬆且廉價地生產 QS-21。」

雖然 Keasling 計劃將優化大規模生產過程的工作留給其他人，但他確實希望調整他引入酵母中的酶促步驟，以生產潛在比 QS-21 更有效的 QS-21 變體。酵母生物合成使他能够通過修剪 QS-21 分子來進行實驗，看看哪些部分可以去除而不會改變分子的有效性。此外，從這項工作中獲得的知識將有助於科學家設計高效的生物製造過程，以生產目前供應有限的其他有價值的萜烯。

為了實現提高我們公共衛生系統應對疾病爆發能力的類似目標，伯克利實驗室的研究人員正在美國能源部生物防禦研究虛擬環境 (BRaVE) 計劃下開展兩個項目：利用結構生物學加速開發針對新興病原體的新型疫苗和抗體療法，以及研究使用基因改造的噬菌體來抵抗抗生素耐藥性感染。

本研究中的研究得到了工業資助的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。