Synthetische biologie tegen malaria
Een belangrijke categorie medicijnen, zoals de pijnstillers aspirine en morfine en de stimulantia cafeïne, nicotine en cocaïne, is gebaseerd op extracten uit planten. In veel gevallen worden deze extracten al eeuwen gebruikt in de kruidengeneeskunde.
Zo ook extracten van de zomeralsem (Artemisia annua) die worden gebruikt bij de behandelingen tegen de malariaparasiet Plasmodium falciparum. In 1972 werd ontdekt dat artemisinine de actieve stof is tegen de malariaparasiet. Artemisinine werd traditioneel gewonnen via extractie uit de plant, maar de opbrengst varieert daarmee van jaar tot jaar. Dat heeft niet alleen prijsfluctuaties tot gevolg maar maakt het ook lastig om op grote schaal artemisinine te winnen.
Zomeralsem op een akker.
Biowetenschappen en maatschappij
Artemisinine kan ook via een chemisch proces worden gemaakt. Dat proces is erg duur en resulteert in allerhande chemisch afval. Omdat malaria vooral op grote schaal voorkomt in arme regio’s, is het belangrijk dat malariabehandelingen in grote hoeveelheden en voor een lage prijs beschikbaar zijn.
Malariamedicijn uit gist
Sinds 2005 werken wetenschappers van het Californische biotechnologiebedrijf Amyris aan de microbiële productie van artemisinine. Ze doen dat op basis van eerder onderzoek van de Berkeley Universiteit en ze worden in hun werk financieel gesteund door een beurs van het Bill & Melinda Gates fonds.
Artemisinezuur is gerelateerd aan artemisinine en kan via een chemische reactie, met behulp van licht, worden omgezet in de stof die effectief is tegen de malariaparasiet. Microbiële productie van artemisinezuur in grote reactorvaten, in plaats van de plantaardige productie van artemisinine via zomeralsem op een akker, biedt de mogelijkheid tot continue productie van grote hoeveelheden malariamedicijnen. Omdat er geen micro-organismen bekend zijn die artemisinezuur produceren, is eerst een micro-organisme ‘omgebouwd’ met behulp van synthetische biologie. Hiertoe zijn de genen die in de zomeralsem plant verantwoordelijk zijn voor de vorming van artemisinezuur, geïntroduceerd in Saccharomyces cerevisiae. Dit bakkersgist staat sinds het begin van de genetische modificatie bekend als een organisme dat eenvoudig is te modificeren.
Zomeralsem in het laboratorium. De cruciale genen van de plant zijn uiteindelijk overgezet in gist.
Biowetenschappen en maatschappij
Optimaliseren van een gen
Binnen een gen coderen zogenoemde codons (combinaties van drie van de vier mogelijke DNA-letters C,T, A of G,) voor de verschillende aminozuren die uiteindelijk een eiwit vormen. Er zijn meer verschillende codons (43=64) mogelijk dan het totaal aantal aminozuren (20). In de genetische praktijk blijken de meeste aminozuren dan ook gecodeerd te kunnen worden door meerdere codons. Daarmee kunnen verschillende DNA-volgordes ook coderen voor exact hetzelfde eiwit.
Verschillende organismen hebben hun eigen voorkeur voor het gebruik van codons en daarom kan het lastig zijn om plantengenen functioneel in gist tot expressie te brengen. Synthetisch biologen analyseren daarom routinematig met behulp van computermodellen wat de optimale DNA-volgorde is om een bepaald eiwit tot expressie te brengen in een bepaald micro-organisme. Vervolgens wordt deze DNA-volgorde (met behulp van zogenoemde gensynthese) chemisch geproduceerd en tot expressie gebracht. Het gebruik van synthetische genen kan de expressie van eiwitten aanzienlijk verbeteren. Daarnaast biedt synthetisch DNA bijvoorbeeld de mogelijkheid om specifieke mutaties te introduceren, en om verschillende eiwitten aan elkaar te plakken.
Introductie van deze geoptimaliseerde plantengenen heeft inmiddels geresulteerd in de productie van artemisinezuur door bakkersgist. Met behulp van synthetische biologie is het dus mogelijk om een stof die normaliter alleen door planten wordt gemaakt, te produceren in een bioreactor vol genetisch gemodificeerde gistcellen met voornamelijk suiker als bouwstof.
Malariamug.
Biowetenschappen en maatschappij
Om de productie van artemisinezuur verder te verhogen was nog een aantal aanpassingen nodig. Ten eerste bleek dat de aanvoer van een ‘half-fabrikaat’ van artemisinezuur (farnesyl-pyro-fosfaat, wat via amorfadieen wordt omgezet in artemisinezuur), beperkend was. Daarom moest een deel van de centrale stofwisseling van bakkersgist opnieuw worden geprogrammeerd, zodat een groter deel van de suikers die de gistcellen consumeren wordt omgezet in farnesyl-pyro-fosfaat in plaats van in het natuurlijke vergistingproduct ethanol.
Dat herprogrammeren van de centrale stofwisseling van bakkersgist bleek nog een lastige uitdaging. Er moesten meer dan tien verschillende enzymatische reacties op elkaar worden afgestemd. Elke individuele enzymatische omzetting kan op vele manieren worden aangepast. Zo kan een gen uit bakkersgist of een ander organisme meer of minder tot expressie worden gebracht, via een of meerdere kopieën en met behulp van meerdere DNA-volgorden. Zelfs als er per enzymatische reactie slechts 4 genetische modificaties worden getest, dan resulteert dit in meer dan een miljoen (410) mogelijkheden. Om sneller goede varianten te genereren, ontwikkelen synthetisch biologen voorspellende computermodellen, methoden om sneller meer varianten te construeren, en methoden en software om varianten beter te karakteriseren en analyseren. Om de capaciteit van genetische modificatie verder uit te breiden, wordt dit proces steeds meer geautomatiseerd, met behulp van software en robots.
Nieuw malariamedicijn van lab naar praktijk
Uiteindelijk is het Amyris gelukt om in slechts enkele jaren een micro-organisme en een proces te ontwikkelen voor productie van meer dan 25 gram artemisinezuur per liter eindproduct, en dat op basis van gewoon suiker! Het volledige proces voor microbiële productie van artemisinezuur en de chemische omzetting naar artemisinine wordt door het farmaceutische bedrijf Sanofi-Aventis opgeschaald en levert nu al jaarlijks 100 miljoen behandelingen tegen malaria op. Dit ontwikkelingstraject illustreert de mogelijkheden die synthetische biologie biedt in de ontwikkeling van processen voor goedkope en stabiele productie van bestaande en nieuwe medicijnen.
