QS-21 是一种从皂树树皮中提取的强效疫苗佐剂，也是当前唯一获批用于人类疫苗的皂苷佐剂。过去 25 年里，QS-21 已经过 120 多项临床试验的测试和验证，现在已经获批用于 GSK 旗下带状疱疹疫苗 Shingrix®、 GSK 旗下疟疾疫苗 Mosquirix® 以及 Novavax 旗下用于老年人的 COVID-19 疫苗中。
不过，由于 QS-21 的结构复杂，其应用受到了很大的限制。当前的提取方法主要有两大类，一类是从智利皂树（Chilean soapbark tree）中天然提取，分离和纯化过程复杂，费时费力；另一类是通过全化学合成，合成路线需要 76 步，效率和产能较低。
近期，加州大学伯克利分校（UCB）Jay Keasling 领导的研究团队展示了在工程酵母菌株中完全生物合成 QS-21、其前体以及结构衍生物。在利用工程菌株生物合成目标产物的过程中，研究团队微调了菌株的天然途径通量以及 38 种异源酶的功能性和平衡表达等，最终基于生物合成平台合成出了 QS-21 的结构类似物。这表明，这一微生物生产方案能够合理设计出有效的疫苗佐剂，进一步实现更经济可持续生产疫苗佐剂。
（来源：Nature）
该团队指出，这项研究是该领域的一项里程碑式重要进展，重要性类似于抗疟疾前体青蒿酸（artemisinic acid）的工业规模化生产，有望为基于微生物的生物制造新机遇铺平道路。
这一研究也是 Jay Keasling 团队时隔近 2 个月后的又一重要突破。今年 3 月中旬，该团队开发了一个模块化的合成生物学工具包用于工程化改造多细胞真菌米曲霉，并更高效合成麦角硫因和血红素。新研究的一作是该实验室前博士后研究员 Yuzhong Liu，她现在是加利福尼亚州斯克里普斯研究所的助理教授，实验室的研究重点是在工程微生物中生物合成复杂天然产物，开发疫苗佐剂和新型小分子化合物。
“在酵母中生产强效疫苗佐剂 QS-21 凸显了合成生物学在解决主要环境和人类健康挑战方面的价值。”Yuzhong Liu 说。
在工程酵母中重建完整合成过程，为合理设计高效疫苗佐剂提供技术平台
上文提到，QS-21 由于结构复杂应用受限，加之现有生产方法无法满足需求，领域内一直尝试开发更可持续和可扩展的替代生产工艺。
在此背景下，Jay Keasling 团队开始尝试在酵母中重建 QS-21 的合成过程。生物合成是一种极具潜力和更为理想的生产方法，研究团队早期的工作为这项研究奠定了基础，尤其是在疟疾方面的工作。
该团队多年来一直专注于通过工程化改造酵母生产萜类化合物，包括抗疟药青蒿素，以及香料和调味剂。期间，团队与英国约翰英尼斯中心的植物研究员 Anne Osbourn 围绕 QS-21 合作，Anne Osbourn 团队已经解析出了皂皮树生产天然 QS-21 过程中所涉及的许多酶促步骤，后续又发现了这一过程中的新步骤并在烟草植物中进行了测试，Jay Keasling 实验室则基于这些发现将这些新基因添加到酵母中复制合成步骤。
今年 1 月，Anne Osbourn 和 Jay Keasling 团队取得重要进展，他们在烟草中重组了天然产物 QS-21 完整的生物合成途径，共涵盖 20 个步骤途径。不过，烟草是植物化学的测试平台，无法用于生产化合物。
即便如此，早期在鉴定 QS-21 生物合成途径中基因和酶方面的工作仍然为在工程酵母中构建 QS-21 的完整生物合成途径提供了基础和可能。在最新的研究中，该团队在酵母中重建了此前在烟草中的 QS-21 生物途径，由于酵母不含有植物中天然存在的一些酶，因此相应添加了一些额外步骤。
他们以葡萄糖和半乳糖等单糖为底物，在酿酒酵母中构建了 QS-21-Api、QS-21-Xyl 以及其结构衍生物的完整生物合成途径。根据 Jay Keasling 的描述，QS-21 的生产途径涉及来自 6 种生物体的 38 个不同基因插入酵母中，这是有史以来移植到任何生物体中最长的生物合成途径之一。
（来源：UCB）
为了生成目标产物，研究团队首先上调了酵母体内的天然甲羟戊酸途径，提高了碳通量，然后功能化微调和平衡 38 种异源酶的表达。整个生物合成途径需要来自 6 种生物体的 7 个酶家族成员，即萜类合成酶、P450、核苷酸糖合酶、糖基转移酶、辅酶 A 连接酶、酰基转移酶和聚酮化合物合成酶，并在酵母中模拟植物从内质网膜的亚细胞区室化到细胞质。
通过上调甲羟戊酸途径为 2,3-氧化角鲨烯提供高碳通量，然后由异源 β-香树素合酶环化，并被植物细胞色素 P450 进行位点选择性氧化，合成皂皮酸（quillaic acid，QA），即 QS-21 的苷元；然后，进一步引入植物核苷酸糖合成途径制造七种非天然尿苷二磷酸糖（UDP-糖），通过 QS-21 途径糖基转移酶（GT）共表达，将糖添加到皂皮酸的 C3 羟基和 C28 羧基上；并在酵母中表达一种工程化的 I 型聚酮合酶 (PKS)、两种 III 型 PKS 和两种独立的酮还原酶 (KR)，以形成二聚酰基单元，然后添加阿拉伯糖醛酸糖合成 QS-21。
▲图 | 工程酵母中 QS-21 的完整生物合成（来源：上述论文）
“这种组合方法可以在酵母细胞中生产 QS-21，由于酶的多功能性，我们构建的生物合成平台也能够生产 QS-21 的结构类似物。这为未来建立结构-生物活性关系，并合理设计有效的疫苗佐剂提供了平台。”
最新的研究也是对该团队在疟疾方面工作的补充，有可能成为未来疟疾疫苗的强效佐剂。
有潜力生产更经济的佐剂，降低疫苗成本
“我们在工程酵母菌株中实现了 QS-21 的全生物合成，这表明大规模工业发酵存在取代种植园通过天然提取方法供应皂苷的可能性，显著提高了 QS-21 的可用性，并满足领域内对强效疫苗佐剂不断增长的需求。”
目前，论文中的工程菌株 YL-46 合成的 QS-21 是 0.0012% w/w/细胞干重（DCW），比皂树的产量 0.0032% w/w/DCW 低。不过，皂树只有到 30-50 岁时才会产生 QS-21，整体来看在酵母中生产 QS-21 的速度仍然比利用皂树快很多，大约 1000 倍。
研究人员指出，目前，一升生物工程酵母三天内可生产约 100 微克 QS-21，市场价值约 200 美元，工程酵母生物合成方法经济上是可行的。
“我的全部想法是，利用单糖来制造一切。只给酵母喂葡萄糖，最终实现这个过程的规模化。如果给工程酵母喂其他的中间体，那么可能结果是不可扩展的。最后，以葡萄糖为底物，当在大型发酵罐中进行生产时，工程酵母能够尽可能简单且廉价地生产 QS-21。”Jay Keasling 说。
▲图 | 左为 Jay Keasling，右为 Yuzhong Liu（来源：学校官网）
“即使按照我们生产的水平，它也比从工厂生产更便宜。加之，工程酵母仅以糖为食，这是一个额外的优势。”Jay Keasling 继续补充道。
新闻稿中还提到，虽然基于酵母工艺的产量仍然很低，但这种方法有望使这种最有效的佐剂之一 QS-21 得到更广泛的应用，并总体降低疫苗的成本。
参考资料：
1.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07345-9
2.https://www.nature.com/articles/s41589-023-01538-5
素材来源官方媒体/网络新闻
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