Krebsmedikament aus umprogrammierter Hefe gebraut

Es gibt keine Alternativen zu diesen Medikamenten, die aus den Blättern des madagassischen Immergrüns (Catharanthus roseus) gewonnen werden. Zwei Wirkstoffe der Pflanze - Vindolin und Catharanthin - bilden zusammen Vinblastin, das die Teilung von Krebszellen hemmt.

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

Ein interdisziplinäres internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von DTU-Forschern hat Hefe gentechnisch verändert, um Vinblastin und Catharanthin zu produzieren. Außerdem ist es ihnen gelungen, die beiden Vorstufen zu reinigen und zu Vinblastin zu koppeln. Damit wurde ein neuer, synthetischer Ansatz zur Herstellung dieser Medikamente entdeckt. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht .

Die Forschung könnte zu neuen Quellen für Vinblastin, Catharanthin und andere Alkaloide führen, die völlig unabhängig von Faktoren sind, die den Pflanzenanbau beeinflussen, wie Pflanzenkrankheiten und Naturkatastrophen. Da die wesentlichen Zutaten für die 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, leitende Forscherin bei DTU Biosustain und Hauptautorin der neuen Arbeit:

"In den letzten Jahren haben wir mehrere Fälle von Engpässen bei diesen Medikamenten auf dem Markt beobachtet. Sie treten immer häufiger auf und werden sich höchstwahrscheinlich in Zukunft wiederholen. Natürlich können wir uns vorstellen, neue Lieferketten für diese und andere Moleküle aufzubauen. Bei diesem Ergebnis handelt es sich um einen Konzeptnachweis, und es liegt noch ein langer Weg vor uns, um die Zellfabrik hochzuskalieren und weiter zu optimieren, damit die Inhaltsstoffe kosteneffizient produziert werden können."

Die mögliche neue Lieferkette für Krebsmedikamente

Die Studie ist nicht nur die erste, die eine völlig neue Versorgungskette für diese wichtigen Krebsmedikamente aufzeigt, sondern auch den längsten Biosyntheseweg - oder "Fließband" - in einer mikrobiellen Zellfabrik. Letzteres ist laut Jie Zhang ein vielversprechendes Ergebnis an und für sich.

Vinblastin gehört zu den so genannten Monoterpenindolalkaloiden - kurz MIAs. MIAs sind biologisch aktiv und nützlich bei der Behandlung verschiedener Krankheiten. Sie sind jedoch hochkomplexe Moleküle und daher schwer synthetisch herzustellen. Mit dieser Studie wollten die Forscher beweisen, dass sie es schaffen können.

"Um die Machbarkeit der mikrobiellen Herstellung aller MIAs zu beweisen, wählten wir eine der komplexesten Chemikalien, die die Pflanzenchemie kennt. Als wir 2015 mit der Produktion von Vinblastin begannen, kannten wir noch nicht den gesamten Herstellungsweg. Wir wussten auch nicht, dass die Gesellschaft mit Engpässen zu kämpfen hat. Es war der längste Stoffwechselweg, den wir kannten, und wir wussten, dass er wahrscheinlich mehr als 30 enzymatische Reaktionen umfasst. Die große Herausforderung bestand darin, eine einzelne Hefezelle mit mehr als 30 Schritten zu programmieren und trotzdem sicherzustellen, dass die umprogrammierte Zelle wie gewünscht funktioniert und sich selbst erhalten kann. Das war die größte Herausforderung und der größte Teil unserer Forschung. Das war alles andere als 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' am Fließband der Zelle einsetzen. Wir brauchen auch Ergänzungen von anderen Fließbändern, die sich bereits in der Hefezelle befinden, damit sie reibungslos funktioniert. Wir brauchen so genannte Co-Faktoren. Man muss auch dafür sorgen, dass gleichzeitig das Ausgangsmaterial für andere wichtige Funktionen in der Zelle vorhanden ist.

Das Team nahm sechsundfünfzig genetische Veränderungen vor, um den 31-stufigen Biosyntheseweg in die Bäckerhefe zu programmieren. Obwohl die Arbeit schwierig war und noch weitere Arbeiten erforderlich sind, gehen die Autoren davon aus, dass Hefezellen eine skalierbare Plattform für die Herstellung von mehr als 3000 natürlich vorkommenden MIAs und Millionen von neu in der Natur vorkommenden Analoga in der Zukunft sein werden.

"In diesem Projekt suchten wir nach neuen Wegen zur Herstellung komplexer chemischer Stoffe, die für die menschliche Gesundheit wichtig sind, obwohl die Technologie auch in der Landwirtschaft und den Materialwissenschaften nützlich sein könnte. Die Biotechnologie ist ein spannender Ansatz, denn die chemische Synthese lässt sich nur schwer skalieren, und die natürlichen Ressourcen sind endlich. Wir glauben, dass ein dritter Ansatz erforderlich ist: Die Fermentation oder die Herstellung ganzer Zellen. Die aus der Natur bekannten Fließbänder werden in mikrobielle Zellen eingesteckt und ermöglichen es den Zellen, einige dieser komplexen Chemikalien zu produzieren", sagt Michael Krogh Jensen.

Nach Angaben der Autoren gehören zu den vielen neuen essenziellen MIAs, die nun auf der Grundlage ihrer neuen Plattform hergestellt werden können, die Chemotherapeutika Vincristin, Irinotecan und Topotecan. Sie alle stehen ebenso wie Vinblastin auf der Liste der unentbehrlichen Arzneimittel der Weltgesundheitsorganisation.

Hefezellen sind vielversprechend für die Herstellung von Medikamenten

Die Forschungsergebnisse unterstreichen die jüngsten Entwicklungen in der synthetischen Biologie, bei der Hefezellen für die Herstellung von Arzneimitteln verwendet werden. Zu den anderen Molekülen, die in Zellfabriken hergestellt werden können, gehören potenzielle Medikamente zur Behandlung von Krebs, Schmerzen, Malaria und der Parkinson-Krankheit.

Die Herstellung von Medikamenten, die sonst aus Pflanzen gewonnen werden, in Fermentern im industriellen Maßstab unter Verwendung billiger und erneuerbarer Substrate könnte künftige Engpässe abmildern und eine nachhaltigere Wirtschaft schaffen, die unabhängig von gezüchteten oder seltenen Organismen ist.

Der korrespondierende Autor Jay D. Keasling, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der Universität von Kalifornien, Berkeley, und wissenschaftlicher Direktor bei DTU Biosustain, ist seit langem ein Pionier der synthetischen Biologie, der sie zur Herstellung wichtiger Moleküle einsetzt. Ein Beispiel: 2003 gelang es ihm, E. coli-Bakterien so zu manipulieren, dass sie einen Vorläufer des Malariamittels Artemisinin produzieren. Später baute er den gesamten Stoffwechselweg in Hefezellen ein, 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 rekonstruiert wurde. Diese Arbeit zeigt, dass sehr lange und komplizierte Stoffwechselwege aus fast jedem Organismus entnommen und in Hefe rekonstruiert werden können, um dringend benötigte Therapeutika zu liefern, deren Synthese mit synthetischer Chemie zu kompliziert wäre. 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. Dadurch wird nicht nur das Angebot erhöht und die Kosten dieser Produkte für die Verbraucher gesenkt, sondern die Produktion ist auch umweltfreundlich, da zur Gewinnung der Moleküle keine mitunter seltenen Pflanzen aus empfindlichen Ökosystemen geerntet werden müssen."