Os cientistas da UC Berkeley inovaram um método de produção econômico baseado em levedura para o QS-21, aumentando a eficácia da vacina e reduzindo a dependência de métodos de extração tradicionais e ambientalmente prejudiciais.
Um processo biossintético de múltiplas etapas em levedura produz de forma barata um adjuvante caro agora extraído da casca da árvore.
As vacinas salvam vidas, como comprovado durante a recente pandemia, mas um componente da maioria das vacinas – incluindo a Novavax COVID 19 vacina – passa despercebida: uma molécula ou outro composto que prepara o sistema imunológico para montar uma defesa mais robusta contra infecções.
Esses chamados adjuvantes são adicionados em pequenas quantidades, mas têm um grande efeito protetor, especialmente em bebês com sistema imunológico imaturo e em pessoas idosas com resposta imunológica em declínio.
No entanto, um dos adjuvantes mais fortes, um extrato da planta chilena de casca de sabão, é tão difícil de produzir que custa várias centenas de milhões de dólares por quilograma (2,2 libras).
Avanço na Biologia Sintética
Universidade da California, Berkeley, e os cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) agora exercem o poder da biologia sintética para produzir o ingrediente ativo da casca do sabão, uma molécula chamada QS-21, na levedura. Produzir compostos como este em levedura não é apenas mais barato, mas também mais ecológico, evitando muitos dos produtos químicos cáusticos e tóxicos necessários para extrair o composto das plantas.
Embora os rendimentos do processo à base de levedura ainda sejam pequenos – algumas centenas de dólares por litro de caldo – o feito promete disponibilizar de forma mais ampla um dos adjuvantes mais eficazes e reduzir o custo das vacinas, em geral.
Os biólogos sintéticos inseriram genes da casca do sabão e de outros organismos em leveduras para criar uma via biossintética para a construção de uma molécula complexa chamada QS-21, um poderoso adjuvante usado em vacinas. A estrutura química do QS-21 está em segundo plano. Crédito: Bianca Susana, Berkeley Lab
“Durante a pandemia, os responsáveis pela saúde pública estavam realmente preocupados com a disponibilidade do adjuvante QS-21 porque ele só provém de uma árvore”, disse Jay Keasling, professor de engenharia química e biomolecular da UC Berkeley e cientista sênior do Berkeley Lab. “Do ponto de vista da saúde mundial, há muita necessidade de uma fonte alternativa deste adjuvante.”
A produção do QS-21 envolveu a inserção de 38 genes diferentes de seis organismos em leveduras – construindo uma das mais longas vias biossintéticas já transplantadas para qualquer organismo, disse Keasling.
“A produção do potente adjuvante de vacina QS-21 em leveduras destaca o poder da biologia sintética para enfrentar os principais desafios ambientais e de saúde humana”, disse o ex-bolsista de pós-doutorado da UC Berkeley, Yuzhong Liu, primeiro autor do artigo e agora professor assistente da Scripps Research em La Jolla, Califórnia.
Os resultados serão publicados em 8 de maio na revista Natureza.
Baseando-se no trabalho contra a malária
O benefício de adicionar um adjuvante a uma vacina foi observado pela primeira vez na década de 1920, quando se descobriu que o alúmen – um sal de alumínio – aumentava a eficácia de uma vacina contra a difteria. Desde então, o alumínio foi adicionado a muitas vacinas que utilizam uma porção de um patógeno – embora não a parte infecciosa – para induzir imunidade. Como os adjuvantes tornam as vacinas mais eficazes, eles também permitem que os médicos utilizem doses menores do ingrediente ativo, denominado antígeno.
Não muito depois de se descobrir que o alume aumenta a eficácia das vacinas, descobriu-se que um grupo de moléculas semelhantes a sabão fazia o mesmo. Na década de 1960, os pesquisadores se concentraram em um extrato da árvore de casca de sabão chilena (Saboneteira Quillaja) que ativa fortemente diferentes componentes do sistema imunológico para amplificar o efeito da administração isolada de um antígeno de vacina. Nos últimos 25 anos, um componente desse extrato – QS-21 – tem sido um dos principais adjuvantes sem alumínio em vacinas, tendo sido testado em mais de 120 ensaios clínicos. É encontrado na vacina contra herpes zoster (Shingrix) administrada a adultos mais velhos, uma vacina contra malária (Mosquirix) atualmente usada em crianças para proteger contra o parasita Plasmodium falciparume a vacina Novavax SARS-COVID-19.
O QS-21 é produzido hoje pela retirada da casca da árvore e pela extração e separação química de seus muitos compostos, alguns dos quais são tóxicos. Embora o QS-21 seja uma molécula complexa contendo um núcleo de terpeno e oito moléculas de açúcar, ele foi sintetizado em laboratório. Mas essa síntese leva 79 etapas separadas, começando com um produto químico intermediário que deve ser sintetizado.
Keasling, que é o CEO do Joint BioEnergy Institute (JBEI), financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, em Emeryville, Califórnia, foi convidado a tentar recriar o processo de síntese em leveduras porque trabalhou durante anos adicionando genes a leveduras para obtê-los. para produzir compostos terpênicos, entre eles a artemisinina, um medicamento antimalárico, mas também aromas e aromatizantes. Os compostos terpênicos, como os responsáveis pelo cheiro dos pinheiros, costumam ser perfumados.
“Este trabalho baseia-se no nosso trabalho contra a malária”, disse ele. “Trabalhamos na terapia da malária. Agora, isto poderia ser um adjuvante para as vacinas contra a malária no futuro.”
Adicionar os oito açúcares revelou-se um desafio, assim como equilibrar interações insuspeitadas entre enzimas na levedura. Tudo isso teve que ser conseguido sem prejudicar as vias metabólicas críticas que são necessárias para o crescimento da levedura.
“Tem oito açúcares e um terpenóide no meio. Quero dizer, faz com que a via biossintética da artemisinina não pareça nada”, disse Keasling. “Estou satisfeito que a biologia sintética tenha chegado tão longe que agora podemos construir um caminho para produzir uma molécula como o QS-21. É uma prova de quão longe o campo progrediu nas últimas duas décadas.”
Ele e seus colegas de laboratório, liderados pelo pós-doutorado Liu, trabalharam em estreita colaboração com a pesquisadora de plantas Anne Osbourn no John Innes Centre, no Reino Unido. Osbourn já havia revelado as muitas etapas enzimáticas envolvidas na produção de QS-21 natural pela árvore de casca de sabão. Nos últimos cinco anos, à medida que Osbourn descobriu novos passos no processo e os testou em plantas de tabaco, o laboratório de Keasling adicionou gradualmente estes novos genes à levedura para replicar os passos sintéticos.
“Foi uma grande colaboração, porque assim que ela colocasse um novo gene no caminho, eles o enviariam para nós e nós o colocaríamos na levedura”, disse Keasling. “Também foi bom para ela, porque ela fez um teste para verificar se seu teste de tabaco estava lhe dizendo a coisa certa.”
‘Tudo com um único açúcar’
No início deste ano, Osbourn e Keasling publicou o processo completo de 20 etapas pelo qual a árvore de casca de sabão produz o QS-21, reconstituído em tabaco. Infelizmente, o tabaco é um campo de testes para a química vegetal, mas não uma forma escalonável de produzir um composto químico.
O novo artigo reconstitui esse processo na levedura, com etapas adicionais adicionadas porque a levedura não contém algumas enzimas que existem naturalmente nas plantas. Atualmente, um litro de levedura fermentada produzida pela bioengenharia pode produzir cerca de 100 microgramas de QS-21 em três dias, com um valor de mercado de cerca de US$ 200. Mas a biossíntese de levedura é escalonável.
“Mesmo nos níveis em que produzimos, é mais barato do que produzi-lo na fábrica”, disse Keasling.
A levedura modificada subsiste apenas com açúcar, o que é uma vantagem adicional, disse ele.
“O que quero dizer é que quero fazer tudo com um único açúcar. Eu só quero alimentar o fermento com glicose, porque eventualmente queremos que esse processo seja escalonado. E se você alimentá-los com um monte de intermediários sofisticados, isso resultará em um processo que não é escalonável”, disse Keasling. “No final das contas, gostaria de começar com a glicose, para que, quando a produção for realizada em tanques grandes, eles consigam produzir QS-21 da maneira mais fácil e barata possível.”
Embora Keasling planeje deixar a otimização do processo para produção em larga escala para outros, ele espera ajustar as etapas enzimáticas que introduziu na levedura para produzir variantes do QS-21 que poderiam ser potencialmente mais eficazes que o QS-21. E a biossíntese de levedura permite que ele experimente podar a molécula QS-21 para ver quais porções podem ser eliminadas sem alterar a eficácia da molécula.
Referência: “Biossíntese completa de QS-21 em levedura modificada” 8 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07345-9
A pesquisa foi financiada por uma bolsa industrial.
