Forschende des Instituts für Biotechnologie und Bioverfahrenstechnik der TU Graz und des Austrian Centre of Industrial Biotechnology (ACIB) haben ein neuartiges Verfahren zur Herstellung zentraler Bestandteile von mRNA-Impfstoffen entwickelt und zum Patent angemeldet.
In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Naturkommunikationerklären Bernd Nidetzky, Martin Pfeiffer und Andrej Ribar, wie sie den essentiellen Impfstoffwirkstoff Pseudouridin mittels biokatalytischer Synthese hergestellt und damit eine Alternative zur bisherigen Methode der chemischen Synthese geschaffen haben.
Ein Prozessschritt ist ausreichend
Diese Alternative bietet einige entscheidende Vorteile. Die chemische Synthese von Pseudouridin ist nicht nur mit giftigen Reagenzien und seltenen Rohstoffen verbunden, sondern aufgrund der notwendigen vier bis acht Prozessschritte und der Kühlung auf minus 20 Grad auch sehr energie- und zeitaufwändig.
Die Biokatalyse hingegen benötigt nur einen Prozessschritt mit vier Parallelreaktionen, die bei Raumtemperatur ablaufen. Außerdem werden nur vier Enzyme als Katalysatoren benötigt (Uridin-Phosphorylase, Phosphopentose-Mutase, Pseudouridin-Monophosphat-Glycosidase und Phosphatase), die mit E.coli-Bakterien recht einfach hergestellt werden können. Die Biokatalyse produziert auch keine Abfallstoffe; Abfall ist nur Phosphat, das aber während des Katalyseprozesses wieder recycelt wird.
Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die Effizienz. Da bei der chemischen Herstellung von Pseudouridin das natürlich vorkommende Uridin umgewandelt wird, das für Impfstoffe weniger effizient ist, gibt es bei der Umwandlung keine 100-prozentige Ausbeute. Aufgrund der geringeren Anzahl an Prozessschritten erreicht die biokatalytische Synthese jedoch eine Ausbeute von 92 bis 95 %, verglichen mit nur 40 bis 50 % bei den bisher publizierten chemischen Verfahren.
Inspiration aus der Natur
Die Entwicklung dieses neuen Verfahrens stützten die Forscher auf eine ihrer früheren Studien, in denen sie entdeckten, dass das YeiN-Enzym ein Biokatalysator für die Produktion von C-Nukleotiden ist. Da Pseudouridin das C-Nukleosid des RNA-Bausteins Uridin ist, hatten sie die Idee, Uridin, das durch bakterielle Fermentation in großen Mengen hergestellt werden kann, als Rohstoff zu nehmen und die Verbindung zwischen seinen Grundbausteinen wiederherzustellen . Die Inspiration dazu kam aus der Natur.
Uridin hat im Gegensatz zu Pseudouridin eine N-glykosidische Bindung, die beim natürlichen Abbau in Zellen durch das Enzym Uridinphosphorylase in Ribose-1-Phosphat (Zucker) und Uracil gespalten wird. Dann kommt das Enzym Phosphopentose-Mutase ins Spiel, das das Ribose-1-Phosphat zu Ribose-5-Phosphat umlagert, das in den Zellen verstoffwechselt wird.
Anschließend erfolgt die Anwendung des YeiN-Enzyms, das zur Verknüpfung des Ribose-5-Phosphats und des Uracils mit Pseudouridin-5-Phosphat dient. Mit Phosphatase wird das Phosphat vom Pseudouridin abgespalten und das Ziel erreicht. Da Pseudouridin viel weniger wasserlöslich ist als Uridin, kristallisiert es im Laufe der Reaktion einfach aus und kann daher leicht durch Filtrieren des Reaktionsüberstandes gewonnen werden.
Produktion in größerem Maßstab
„Unsere Arbeit zeigt, dass die Biokatalyse eine potente Alternative zur chemischen Synthese von C-Nukleotiden wie Pseudouridin ist“, erklärt Bernd Nidetzky, Leiter des Instituts für Biotechnologie und Bioverfahrenstechnik der TU Graz.
„Wir hoffen, die Produktion bald in größerem Maßstab umzusetzen und so Pseudouridin nachhaltig und günstig in größeren Mengen verfügbar zu machen. Dadurch könnte möglicherweise auch die Produktion von mRNA-Impfstoffen mittelfristig günstiger werden, da potenzielle Partner aus der Industrie unsere Anwendung durchaus umsetzen könnten.“ sofort.“
Mehr Informationen:
Martin Pfeiffer et al, Eine selektive und atomökonomische Umlagerung von Uridin durch Kaskadenbiokatalyse zur Herstellung von Pseudouridin, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37942-7