Hefe-fermentierte Chemo: Jetzt können wir alles brauen

Von Sarah Amandolare

30. September 2022 -- Eine unglaublich alte Methode zur Herstellung von Medikamenten ist jetzt eine unglaubliche neue Methode zur Herstellung von Medikamenten. Wissenschaftler haben einen Hefegärungsprozess gentechnisch verändert, um anstelle von Bier Chemotherapeutika zu produzieren. 

Vinblastin ist die komplexeste Verbindung, die bisher mit gentechnisch veränderter Hefe hergestellt wurde, sagen die Forscher. Seine natürlich vorkommenden Inhaltsstoffe werden normalerweise von einer gefährdeten Pflanze in Madagaskar geerntet, und das Chemotherapeutikum steht auf der Liste der unentbehrlichen Medikamente der Weltgesundheitsorganisation. Die synthetische Herstellung von Vinblastin könnte Versorgungsprobleme beseitigen, die Kosten senken und Leben retten. 

Es hat 7 Jahre gedauert, bis es richtig funktionierte. 

"Es ist, als würde man ein Orchester zum Klingen bringen, denn alle Schritte müssen zusammenwirken, um das Endprodukt zu erhalten", sagt Jay Keasling, PhD, Mitautor des Artikels. "Wenn man die Hefe mit Zucker füttert, produziert sie Bier und Wein. In diesem Fall haben wir den Ethanolweg durch Wege zur Herstellung dieser natürlichen Produkte ersetzt."

Gentechnisch veränderte Hefe ist (zusammen mit E. coli) ein wichtiger Mikroorganismus für die biopharmazeutische Produktion. Hefe wurde so umgestaltet, dass sie andere natürlich vorkommende Verbindungen wie Cannabinoide und das Malariamittel Artemisinin produzieren kann. Bei dem Verfahren wird eine Abfolge von biochemischen Reaktionen oder Stoffwechselwegen aus einer Pflanzenzelle entfernt und in einer Hefezelle rekonstruiert. 

Der Heilige Gral der Verbindungen

Vinblastin gehört zu einer Familie von mehr als 3.000 pflanzlichen Molekülen, den so genannten Monoterpen-Indol-Alkaloiden (MIA), von denen mehrere von der FDA als Therapeutika zugelassen wurden. Jedes MIA stammt von einer anderen Pflanze, von denen einige selten sind oder durch Überernte vom Aussterben bedroht sind, so Keasling. 

"Die Entwicklung einer Hefe, die diese Moleküle produzieren kann, würde ihre Herstellung auf einer einfachen Plattform, der Fermentation, ermöglichen, anstatt einzelne Pflanzen anzubauen oder sie aus der Natur zu ernten", sagt Keasling. "Wir haben im Wesentlichen diese uralte Methode zur Herstellung von Bier und Wein übernommen, um diese anderen wichtigen Produkte herzustellen.

Das internationale Forscherteam unter der Leitung der Technischen Universität Dänemark wollte beweisen, dass es alle Arten von MIAs synthetisch herstellen kann, und begann daher mit dem komplexesten, das sie kannten: Vinblastin. 

Vinblastin hat etwa 30.000 Gene. Die Forscher mussten zunächst eine Sequenz mit 31 Schritten identifizieren. Nach Angaben der Forscher ist dies der längste Biosyntheseweg, der jemals aus einer Pflanze entnommen und in eine Mikrobe eingebaut wurde.

Bisher konnte Vinblastin nur aus zwei Wirkstoffen, Vindolin und Catharanthin, hergestellt werden, die aus den Blättern des madagassischen Immergrüns gewonnen werden. Für die Herstellung eines einzigen Gramms Vinblastin werden mehr als 4000 Pfund getrocknete Blätter benötigt. Lieferverzögerungen führten zu einer internationalen Verknappung des Medikaments vom Sommer 2019 bis 2021. 

Obwohl die Forscher Vinblastin nicht direkt in Hefe herstellen konnten, gelang es ihnen, Hefe gentechnisch so zu verändern, dass sie Vindolin und Catharanthin produziert. Diese Verbindungen wurden dann gereinigt und chemisch zu Vinblastin gekoppelt. 

Um den Stoffwechselweg von Vinblastin zu rekonstruieren, waren nach Angaben der Forscher 56 genetische Veränderungen erforderlich. Für die biochemischen Reaktionen, die bei jedem Schritt entlang des Stoffwechselwegs ablaufen, werden Enzyme benötigt - die Forscher mussten also sicherstellen, dass die Enzyme in der richtigen Menge produziert werden. 

"Es kann nicht sein, dass ein Schritt deutlich besser funktioniert als alle anderen, oder dass ein Schritt überhaupt nicht gut funktioniert", so Keasling. Die Enzyme hängen auch von anderen Faktoren wie Vitaminen und Mineralien ab, die ebenfalls in die Sequenz eingefügt werden mussten. 

Die Forscher stellten nur eine sehr geringe Menge Vinblastin her, aber die Technik öffnet die Tür für die Produktion zahlreicher anderer natürlich vorkommender Verbindungen, einschließlich eines Moleküls zur Suchtbekämpfung, das teuer in der Herstellung ist, weil es von Pflanzen in kleinen Mengen produziert wird. 

"Dieses Molekül, das wir ausgewählt haben, ist so etwas wie ein heiliger Gral. Es ist ein großes Molekül, das auf andere Weise nur schwer zu produzieren ist", so Keasling. "Wenn wir also dieses Molekül herstellen können, bedeutet das, dass die anderen definitiv machbar sind.