Erfolgreiche Biosynthese der Vorläufer des wirksamen Krebsmedikaments Vinblastin in Hefe

Es wird erwartet, dass der Kampf der Menschheit gegen Krebs noch Jahre andauern wird. Wissenschaftler auf der ganzen Welt erfinden ständig neue Synthesemethoden für die schnelle und effiziente Herstellung von Krebstherapeutika. Die chemische Synthese eines solch wirksamen Krebsmedikaments – Vinblastin – ist jedoch aufgrund seiner komplexen dreidimensionalen Struktur mit großen Herausforderungen verbunden. Vinblastin ist ein Heterodimer der chemischen Verbindungen Catharanthine und Vindolin.

Leider sind derzeit verfügbare Verfahren zur Massenproduktion von Vinblastin sowohl kostspielig als auch nicht nachhaltig.

Kürzlich gelang einem Forschungsteam der Zhejiang University, China, unter der Leitung von Dr. Jiazhang Lian und Dr. Di Gao, ein Durchbruch, indem es eine neuartige Methode zur biologischen Synthese von Catharanthin und Vindolin – den beiden pharmakologischen Vorläufern von Vinblastin – identifizierte. Es wurde bereits früher festgestellt, dass die Biosynthese dieser beiden Vorläufer über eine 31-stufige Reaktion in Catharanthus roseus erfolgt – einer Heilpflanze, die auch für ihren Zierwert bekannt ist.

Inspiriert von dieser Studie hat das Forschungsteam Saccharomyces cerevisiae, allgemein als Hefezellen bekannt, gentechnisch verändert und zur Herstellung von Vindolin und Catharanthin verwendet. Die chemisch/biologische Kopplung von Vindolin und Catharanthin wurde dann verwendet, um Vinblastin zu erhalten. Diese Ergebnisse wurden in veröffentlicht BioDesign-Forschung.

Dr. Lian, der als Principal Investigator am College of Chemical and Biological Engineering der Zhejiang University tätig ist, bemerkt: „Auf der Grundlage eines Plattformstamms mit einer ausreichenden Versorgung mit Vorläufern und Cofaktoren für die Biosynthese konnten wir erfolgreich die biosynthetischen Produktionswege optimieren Vindolin und Catharanthin. Unter Verwendung von Schüttelkolbenfermentation waren unsere gentechnisch veränderten Hefestämme in der Lage, Catharanthin und Vindolin mit einem Titer von 527,1 μg/L bzw. 305,1 μg/L zu produzieren, ohne eine nachweisbare Menge an Stoffwechselweg-Zwischenprodukten anzusammeln.“

Um das Genom der Hefezellen zu modifizieren, verwendete das Team die beliebte „CRISPR-Cas9“-Technik und optimierte die Technik weiter, um bestimmte Produktionsengpässe zu beseitigen. Beispielsweise steigerte die Einführung einer zusätzlichen Kopie der Gene, die für bestimmte Schlüsselenzyme codierten, die Gesamtausbeute von Catharanthin von 225,3 μg/L auf 527,1 μg/L.

Als das Team feststellte, dass die Produktion von Tabersonin – einem Reaktionszwischenprodukt, das schließlich in Vindolin umgewandelt wird – geringer war als die von Catharanthin, beseitigten sie diesen Engpass schnell, indem sie zusätzliche Kopien von Genen einführten, die für die zugehörigen Enzyme kodieren. Dadurch erhöhte sich die Ausbeute an Tabersonin von 9,0 µg/L auf 18,9 µg/L. Eine ähnliche Strategie wurde verwendet, um die Ausbeute an Vindolin zu erhöhen.

Bezüglich der zukünftigen Implikationen dieser Ergebnisse fügt ein begeisterter Dr. Lian hinzu: „Die Herstellung von Vinblastin unter Verwendung mikrobieller Zellfabriken ist vielversprechend für eine groß angelegte und kostengünstige Produktion. Tatsächlich kann es als repräsentatives Beispiel für die Produktion von zusätzlichen wertvollen Pflanzenprodukten in Hefe.“

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Forschungsteam, obwohl die Biosynthese von Vindolin und Catharanthin einen der kompliziertesten Wege umfasst, die jemals in hefebasierten Zellfabriken rekonstruiert wurden, dies mit fortschrittlichen gentechnischen und auf synthetischer Biologie basierenden Ansätzen erreichen konnte.