Hvad er det bioteknologisk mest avancerede, vi kan skabe? Hvordan kan vi tage svampe og bakterier og få dem til at frembringe ting, vi bruger i for eksempel livsvigtig medicin?
Det spørgsmål stillede Michael Krogh Jensen, seniorforsker ved DTU Biosustain, og hans kolleger sig for mere end syv år siden.
Nu har de fået udgivet et studie i Nature, hvor de viser, hvordan de har gensplejset gær til at producere vindolin og katharanthin. Det er to forstadier til den essentielle kræftmedicin vinblastin.
Resultatet begejstrer en forsker, som ikke har deltaget i arbejdet.
»Det her er en af de mest imponerende demonstrationer af, hvad syntetisk biologi kan opnå,« siger Michele Fabris, adjunkt i sektionen for bioteknologi under Institut for Grøn Teknologi på Syddansk Universitet (SDU).
Forsyningsvanskeligheder
Det, som forskerne har gjort i studiet, er virkelig kompleks kemi. Det kommer vi tilbage til senere i artiklen.
For forskerne har fundet en ny, syntetisk tilgang til fremstilling af plantemolekyler, som undervejs i deres forskning viste sig at komme i forsyningsvanskeligheder.
»De her medicinske stoffer bliver udvundet af langsomt groende planter i naturen. Så det med bare at så flere planter og så vente i årevis på flere stoffer er ikke en løsning for at komme et forsyningsbehov til livs nu og her,« fortæller Michael Krogh Jensen.
Der har ikke været nogen alternativ vej til fremstilling af vinblastin, der er isoleret fra bladene fra Madagaskar-periwinkle-planten, Catharanthus roseus. Planten er almindelig, men der skal op til to ton tørrede blade til for at producere ét gram vinblastin.
Manglen i 2019, der varede indtil 2021, skyldtes hovedsageligt forsinkelser i leveringen af disse ingredienser, blandt andet fordi en større producent af vinblastin trak sig fra markedet.
Der har de seneste år været flere tilfælde af mangel på vinblastin, og det vil højst sandsynligt opstå igen i fremtiden. Forskerne håber derfor, at der kan etableres nye forsyningskæder for disse og andre livsnødvendige molekyler.
Gær kan måske afløse planter
Projektet udviklede sig altså fra at være et forsøgsstudie for at se, hvor kompleks en celle forskerne kunne fremstille, til også at være en mulig løsning på, hvordan vi undgår forsyningsvanskeligheder i fremtiden.
»Det gav anledning til at gøre projektet større. Vi fik yderligere finansiering og har nu vist, at de to naturprodukter (vindolin og katharanthin, red.) kan sættes sammen til at lave vinblastin. Det har vi gjort ud fra en encellet organisme, som gær nu er, fremfor at bruge planter,« siger Michael Krogh Jensen.
Ifølge Eva Arnspang Christensen, lektor og sektionsleder for sektion for bioteknologi under Institut for Grøn Teknologi på SDU, er det et skridt i den rigtige retning til en smart syntesevej i en biologisk organisme.
»Det vil med de rette optimeringer måske en dag kunne betyde, at disse stoffer ikke skal fremstilles ved hjælp af en kemisk syntese, som er en dyr og forurenende sektor,« siger Eva Arnspang Christensen og tilføjer:
»Forskerne har været i stand til at designe en lang syntesevej fra planter i gensplejset gær og vist, at gæren faktisk kunne producere de ønskede plantemolekyler. Og studiet er udgivet i Nature, så det er helt sikkert et godt stykke arbejde.«
Vinblastin kan fremstilles ved hjælp af kemisk syntese, men det er en proces med meget lille udbytte og brug af reaktioner, der ikke egner sig til industriel fremstilling. Blandt andet på grund af store temperaturudsving og større mængder sundhedsfarlig kemi som katalysator for de kemiske reaktioner.
Kompleks kemi
Og nu tilbage til den komplekse kemi.
Det er første gang, at forskere demonstrerer en helt ny forsyningskæde for disse essentielle lægemidler mod kræft. De viser den hidtil længste biosyntetiske vej - eller det længste 'samlebånd' - indsat i en mikrobiel cellefabrik, som er et lovende resultat i sig selv.
\ Vinblastin-vejen er meget kompleks.
Forskerne har designet en ny måde, hvorpå planteenzymerne kan arbejde i en gærcelle.
De har brugt en smart strategi, hvor stien er blevet underopdelt i funktionelle moduler baseret på deres krav. De har derefter omkoblet dem til gærs eksisterende biokemi.
Sidstnævnte skulle også rekonstrueres for at sikre, at gærceller er i stand til at give tilstrækkelige indledende byggesten til plantevejen og for at forbinde disse moduler med gærens oprindelige biologi uden at påvirke det negativt.
Kilde: Michele Fabris, adjunkt ved Institut for Grøn Teknologi på Syddansk Universitet.
At blive indsat i en mikrobiel cellefabrik betyder, at alle de gener, der er brugt til at producere enzymer til biosyntese af disse stoffer i planter, er blevet klonet og indsat i gær-genomet via gensplejsning.
»Vi kalder gærceller for en fabrik som en analogi til det 'samlebåndsarbejde', cellen skal udføre med de mange nye enzymer til stede,« forklarer Michael Krogh Jensen.
Den længste biosyntesevej refererer til antallet af enzymatiske reaktioner, der er blevet brugt fra den nærmeste byggesten, som gær naturligt har i sin metabolisme, og frem til slutproduktet.
I dette tilfælde var der tale om 30 enzymatiske reaktioner, der skulle indsættes i gærceller. De 30 reaktioner udgør tilsammen den hidtil længste biosyntesevej, der er gensplejset ind i en mikrobiel celle som gær.
»Hvis vi kunne have lavet vejen kortere, havde vi skam gjort det, men de 30 enzymer udgør til dags dato netop den korteste vej til så komplekse molekyler som vindolin og katharanthin,« siger Michael Krogh Jensen.
\ Læs mere
Enzymer screenes for at nå frem til det rette
Vinblastin hører til de såkaldte monoterpenindolalkaloider – eller bare ‘MIA’. MIA er biologisk aktive og nyttige til behandling af forskellige sygdomme. Men de er meget komplekse molekyler og derfor vanskelige at fremstille syntetisk. Det var derfor forskernes formål at bevise, at de kunne gøre det ved hjælp af bioteknologi og fermentering.
Blandt de mange nye væsentlige MIA’er, der nu kan blive produceret baseret på deres nye platform, er de kemoterapeutiske lægemidler vincristin, irinotecan og topotecan. De er alle på Verdenssundhedsorganisationen WHO's liste over essentielle lægemidler sammen med vinblastin.
»Når vi skal lave en biosyntesevej så lang som denne, er det vigtigt, at de plante-enzymer, der bliver indsat i gærceller, fungerer godt. Det kræver ofte screening af mange enzymvarianter at finde dét enzym, der fungerer optimalt og kan udføre den nødvendige enzymatiske reaktion inde i gærcellen. Vi har også brug for 'arbejdskraft' fra andre enzymer end dem, som udfører de specifikke biosyntese-trin for at få omdannet sukker til kræftmedicin,« siger Michael Krogh Jensen.
Det kan være enzymer, der er nødvendige for biosyntesen af byggesten - eller cofaktorer - som enzymerne i biosyntesevejen for kræftmedicinen har brug for for at kunne fungere. Yderligere skal der også sørges for, at der samtidig er nok cofaktorer til, at alle de 'almindelige', men essentielle enzymer, som gærcellen gør brug af for at kunne gro, også kan fungere.
\ Læs mere
Kan måske erstatte den kemiske syntese
I alt udførte forskerne 56 genetiske redigeringer for at programmere den 30 trin lange biosyntetiske vej ind i bagegær. Det var vanskeligt, og der er bestemt behov for mere arbejde, men forskerne forventer, at gærceller vil være en skalerbar platform til at producere flere end 3.000 naturligt forekommende MIA’er og millioner af nye analoger i naturen i fremtiden.
»Det er en lang og besværlig syntesevej, de nu har lavet. 30 trin er komplekst,« siger Eva Arnspang Christensen og tilføjer:
»Men det er vigtigt. For får man det først op at køre i gær, ligesom Novo Nordisk, der producerer insulin i kæmpe bioreaktorer, kan man lave en syntesevej, så man kan producere det i biologiske organismer kontrolleret. Og så har man vundet noget, fordi man slipper for den kemiske syntese, der er så lang og dyr.«
\ Læs mere
\ En tredje tilgang
Da forskerne satte sig ned til en brainstorm i 2015, var det netop for at finde nye måder at fremstille kompleks kemi, der er afgørende for menneskers sundhed.
»Bioteknologi tilbyder noget spændende, fordi kemisk syntese er svær at skalere, og naturressourcerne er begrænsede. Vi mener, at der er brug for en tredje tilgang: fermentering eller helcellefremstilling. De samlebånd, der er kendt fra naturen, er sat ind i mikrobielle celler og giver cellerne mulighed for at producere nogle af disse komplekse kemikalier,« siger Michael Krogh Jensen.
Den metaboliske vej, som forskerne konstruerede i gær, er den længste biosyntetiske vej, der nogensinde er blevet gensplejset ind i en mikroorganisme. Studiet viser, at meget lange og komplicerede biosynteseveje kan tages fra næsten enhver organisme og gensplejses ind i gær for at levere tiltrængte terapeutika, der er for komplicerede til at syntetisere ved hjælp af syntetisk kemi eller slider på vores naturressourcer.
Gær er i sagens natur skalerbar. Den konstruerede gær kan derfor være første skridt mod en løsning, der en dag leverer vinblastin til kræftpatienter. Såvel som til produktion af nogle af de 3.000 andre relaterede molekyler i denne familie af naturlige produkter.
Der er et stykke vej endnu
Men studiet er dog fortsat en test af konceptet.
Der er altså stadig lang vej igen i forhold til at opskalere og yderligere optimere cellefabrikken til at producere ingredienserne på en omkostningseffektiv måde.
»Det er et modelstudie. Vi har vist, at det er muligt. Men skal det have en pris, som WHO og hospitaler vil acceptere, skal der optimeres på de celler, vi har lavet. Skal vi omdanne sukker til vinblastin, ligger vi langt over prisen på de cirka 1.000 dollar per gram per behandling. Det vil ikke gå i dag,« siger Michael Krogh Jensen og tilføjer:
»Teknologiparat er det ikke endnu. Cellerne, vi har lavet, er endnu ikke klar til industriel skala. Så det skal der arbejdes mere på, og det gør vi.«
