Aus umprogrammierter Hefe gebrautes Anti-Krebs-Medikament

Im Sommer und Herbst 2019 kam es bei einigen Krebspatienten zu Behandlungsunterbrechungen. Grund war eine Verknappung der Medikamente Vinblastin und Vincristin, essentielle Chemotherapeutika für verschiedene Krebsarten.

Es gibt keine Alternativen zu diesen Medikamenten, die aus den Blättern der madagassischen Immergrünpflanze Catharanthus roseus isoliert werden. Zwei Wirkstoffe aus der Pflanze – Vindolin und Catharanthin – bilden zusammen Vinblastin, das die Teilung von Krebszellen hemmt.

Obwohl die Pflanze weit verbreitet ist, werden mehr als 2000 kg getrocknete Blätter benötigt, um 1 g Vinblastin herzustellen. Der Mangel von 2019, der bis 2021 andauerte, wurde hauptsächlich durch Verzögerungen bei der Lieferung dieser Zutaten verursacht.

Ein interdisziplinäres internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von DTU-Forschern hat Hefe gentechnisch verändert, um Vindolin und Catharanthin herzustellen. Es ist ihnen auch gelungen, die beiden Vorläufer zu reinigen und zu koppeln, um Vinblastin zu bilden. Somit wurde ein neuer, synthetischer Ansatz zur Herstellung dieser Arzneimittel entdeckt. Ihre Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Die Forschung kann zu neuen Quellen von Vindolin, Catharanthin und anderen Alkaloiden führen, die völlig unabhängig von Faktoren sind, die den Pflanzenbau beeinflussen, wie Pflanzenkrankheiten und Naturkatastrophen. Da die wesentlichen Zutaten zur Herstellung dieser Verbindungen Bäckerhefe und einfache erneuerbare Substrate wie Zucker und Aminosäuren sind, ist die Produktion auch weniger anfällig für Pandemien und globale logistische Herausforderungen, so Jie Zhang, Senior Researcher bei DTU Biosustain, Hauptautor des neuen Papier:

„In den letzten Jahren haben wir mehrere Fälle von Engpässen bei diesen Medikamenten auf dem Markt gesehen. Sie treten häufiger auf und werden höchstwahrscheinlich in Zukunft wieder auftreten. Natürlich stellen wir uns die Einrichtung neuer Lieferketten für diese und andere Moleküle vor. Dieses Ergebnis ist ein Proof of Concept, und es ist noch ein weiter Weg zu gehen, um die Zellfabrik hochzuskalieren und weiter zu optimieren, um die Inhaltsstoffe kostengünstig herzustellen.“

Die mögliche neue Lieferkette für Krebsmedikamente

Abgesehen davon, dass die Studie die erste Studie ist, die eine völlig neue Lieferkette für diese wichtigen Medikamente gegen Krebs demonstriert, zeigt die Studie den längsten Biosyntheseweg – oder „Fließband“ – der in eine mikrobielle Zellfabrik eingefügt wird. Letzteres ist laut Jie Zhang an und für sich schon ein vielversprechendes Ergebnis.

Vinblastin gehört zu den sogenannten Monoterpen-Indol-Alkaloiden – kurz MIAs. MIAs sind biologisch sehr aktiv und nützlich bei der Behandlung verschiedener Krankheiten. Sie sind jedoch hochkomplexe Moleküle und daher schwierig synthetisch herzustellen. Diese Studie sollte beweisen, dass die Forscher es schaffen konnten.

„Um die Machbarkeit der mikrobiellen Herstellung aller MIAs zu beweisen, haben wir uns für eine der komplexesten Chemikalien entschieden, die der Pflanzenchemie bekannt sind. Als wir 2015 anfingen, kannten wir den vollständigen Weg zur Herstellung von Vinblastin nicht Es war der längste Weg, den wir kannten, und wir wussten, dass er wahrscheinlich über 30 enzymatische Reaktionen codierte. Die große Herausforderung bestand darin, eine einzelne Hefezelle mit mehr als 30 Schritten zu programmieren und dennoch sicherzustellen, dass die Zelle reprogrammiert wird nach Bedarf funktionieren und sich dabei selbst erhalten kann. Das war die größte Herausforderung und der größte Teil unserer Forschung. Es war überhaupt nicht einfach“, sagt Jie Zhang.

Michael Krogh Jensen, leitender Forscher an der DTU und einer der korrespondierenden Autoren der Studie, fügt hinzu: „Wir müssen das richtige ‚Personal‘ entlang der Montagelinie der Zelle stellen. Wir brauchen auch Ergänzungen von anderen Montagelinien, die bereits in der Hefezelle hergestellt werden können es funktioniert reibungslos. Wir brauchen sogenannte Co-Faktoren. Man muss auch dafür sorgen, dass gleichzeitig das Ausgangsmaterial für andere essentielle Funktionen in der Zelle vorhanden ist.“

Das Team führte 56 genetische Veränderungen durch, um den 31-stufigen Biosyntheseweg in Bäckerhefe zu programmieren. Obwohl die Arbeit schwierig war und weitere Arbeit erforderlich ist, erwarten die Autoren, dass Hefezellen in Zukunft eine skalierbare Plattform für die Produktion von mehr als 3.000 natürlich vorkommenden MIAs und Millionen von in der Natur vorkommenden Analoga sein werden.

„In diesem Projekt suchten wir nach neuen Wegen zur Herstellung komplexer Chemie, die für die menschliche Gesundheit unerlässlich ist, obwohl die Technologie auch in der Landwirtschaft und den Materialwissenschaften nützlich sein könnte. Die Biotechnologie bietet etwas Spannendes, da die chemische Synthese schwer skalierbar ist und die natürlichen Ressourcen begrenzt sind . Wir glauben, dass ein dritter Ansatz erforderlich ist: Fermentation oder Ganzzellherstellung. Die aus der Natur bekannten Fließbänder werden in mikrobielle Zellen gesteckt und ermöglichen den Zellen, einige dieser komplexen Chemikalien zu produzieren“, sagt Michael Krogh Jensen.

Laut den Autoren gehören zu den vielen neuen essentiellen MIAs, die jetzt auf der Grundlage ihrer neuen Plattform hergestellt werden können, die Chemotherapeutika Vincristin, Irinotecan und Topotecan. Sie alle stehen zusammen mit Vinblastin auch auf der Liste der unentbehrlichen Arzneimittel der Weltgesundheitsorganisation.

Die Forschung unterstreicht darüber hinaus die jüngsten Entwicklungen in der synthetischen Biologie, wo gentechnisch veränderte Hefe für die Herstellung von Arzneimitteln verwendet wird. Andere Moleküle, die Zellfabriken jetzt produzieren können, sind potenzielle Medikamente zur Behandlung von Krebs, Schmerzen, Malaria und der Parkinson-Krankheit.

Die Herstellung von Medikamenten, die ansonsten aus Pflanzen in Fermentern im industriellen Maßstab unter Verwendung billiger und erneuerbarer Substrate hergestellt werden, kann zukünftige Engpässe lindern und eine nachhaltigere Wirtschaft schaffen, die unabhängig von gezüchteten oder seltenen Organismen ist.

Der korrespondierende Autor Jay D. Keasling, Professor für chemische und biomolekulare Verfahrenstechnik an der University of California, Berkeley und wissenschaftlicher Direktor an der DTU Biosustain, ist seit langem ein Pionier der synthetischen Biologie, der an vorderster Front dabei ist, sie zur Herstellung essentieller Moleküle zu nutzen. Ein typisches Beispiel: Im Jahr 2003 veränderte er erfolgreich E. coli-Bakterien, um eine Vorstufe von Artemisinin, einem Malariamedikament, herzustellen. Später würde er den gesamten Weg in Hefezellen manipulieren, ähnlich wie Hefezellen jetzt zur Herstellung von Vindolin und Catharanthin verwendet werden können.

„Der Stoffwechselweg, den wir in Hefe konstruiert haben, ist der längste Biosyntheseweg, der jemals in einem Mikroorganismus rekonstituiert wurde. Diese Arbeit zeigt, dass sehr lange und komplizierte Stoffwechselwege von fast jedem Organismus genommen und in Hefe rekonstituiert werden können, um dringend benötigte Therapeutika bereitzustellen sind zu kompliziert, um sie mit synthetischer Chemie zu synthetisieren. Da Hefe von Natur aus skalierbar ist, könnte diese gentechnisch veränderte Hefe eines Tages Vinblastin sowie die 3.000 anderen verwandten Moleküle in dieser Familie von Naturprodukten liefern. Dies wird nicht nur das Angebot erhöhen und die Kosten von senken diese Produkte für die Verbraucher, aber die Produktion ist auch umweltfreundlich, weil es die Notwendigkeit eliminiert, manchmal seltene Pflanzen aus sensiblen Ökosystemen zu ernten, um die Moleküle zu gewinnen.“