这些所谓的佐剂添加量虽小，但具有很大的保护作用，特别是对于免疫系统不成熟的婴儿和免疫反应下降的老年人。

然而，最强的佐剂之一——智利皂皮植物的提取物——生产起来非常困难，每公斤(2.2磅)的成本高达数亿美元。

加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家现在利用合成生物学的力量，在酵母中生产出皂皮的活性成分，一种名为 QS-21 的分子。在酵母中生产此类化合物不仅更便宜，而且更环保，避免了从植物中提取化合物所需的许多腐蚀性和有毒化学物质。研究结果发表在 5 月 8 日的《自然》杂志上。

虽然基于酵母的工艺的产量仍然很小——一升肉汤价值几百美元——但这一壮举有望使最有效的佐剂之一得到更广泛的应用，并总体上降低疫苗的成本。

加州大学伯克利分校化学和生物分子工程教授、伯克利实验室高级科学家杰伊·基斯林 (Jay Keasling) 表示：“在大流行期间，公共卫生官员非常担心 QS-21 佐剂的可用性，因为它只来自一棵树。” “从世界健康的角度来看，非常需要这种佐剂的替代来源。”

Keasling 说，QS-21 的生产涉及将来自 6 种生物体的 38 个不同基因插入酵母中，从而构建了有史以来移植到任何生物体中最长的生物合成途径之一。

“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力量，”该论文的第一作者、现任加州大学伯克利分校前博士后研究员 Yuzhong Liu 说。加利福尼亚州拉霍亚市斯克里普斯研究中心的助理教授。

以疟疾工作为基础

在 20 世纪 20 年代，人们首次注意到在疫苗中添加佐剂的好处，当时发现明矾(一种铝盐)可以提高白喉疫苗的有效性。此后，许多疫苗中都添加了明矾，这些疫苗利用病原体的一部分(尽管不是传染性部分)来诱导免疫力。由于佐剂使疫苗更有效，因此它们还允许医生使用较小剂量的活性成分(称为抗原)。

在发现明矾可以提高疫苗的有效性后不久，一组类似肥皂的分子也被发现具有同样的作用。到了 20 世纪 60 年代，研究人员开始关注智利肥皂树 (Quillaja saponaria) 的提取物，它可以强烈激活免疫系统的不同组成部分，从而放大单独给予疫苗抗原的效果。

在过去 25 年里，该提取物的一种成分 QS-21 一直是疫苗中主要的非铝佐剂之一，已经过 120 多项临床试验的测试。它存在于为老年人注射的带状疱疹疫苗 (Shingrix)、目前用于儿童预防恶性疟原虫的疟疾疫苗 (Mosquirix) 以及 Novavax SARS-COVID-19 疫苗中。

如今，QS-21 的生产方法是从树上剥下树皮，并通过化学方法提取和分离其中的许多化合物，其中一些化合物是有毒的。尽管QS-21是一种包含萜烯核心和八个糖分子的复杂分子，但它是在实验室合成的。但这种合成需要 79 个单独的步骤，从本身必须合成的中间化学品开始。

凯斯林是加利福尼亚州埃默里维尔联合生物能源研究所 (JBEI) 的首席执行官，他被要求尝试在酵母中重建合成过程，因为他多年来一直致力于向酵母中添加基因，以使它们能够制造萜烯化合物，其中其中包括青蒿素(一种抗疟药)，还有香料和调味品。萜烯化合物，就像松树气味的化合物一样，通常是芳香的。

“这项工作建立在我们的疟疾工作基础上，”他说。 “我们致力于疟疾治疗。现在，这可能成为未来疟疾疫苗的佐剂。”

事实证明，添加八种糖具有挑战性，平衡酵母中酶之间意想不到的相互作用也是如此。所有这一切都必须在不破坏酵母生长所需的关键代谢途径的情况下完成。

“它有八个糖，中间有一个萜类化合物。我的意思是，它使青蒿素生物合成途径看起来像什么都没有，”基斯林说。 “我很高兴合成生物学已经取得了如此大的进步，我们现在可以建立一条生产 QS-21 这样的分子的途径。这证明了该领域在过去二十年中取得了多大进展。”

他和他的实验室同事在博士后研究员刘的带领下，与英国约翰·英尼斯中心的植物研究员安妮·奥斯本密切合作。 Osbourn 早些时候已经梳理出了皂皮树生产天然 QS-21 所涉及的许多酶促步骤。在过去的五年里，随着奥斯本发现了该过程中的新步骤并在烟草植物中进行了测试，基斯林的实验室逐渐将这些新基因添加到酵母中以复制合成步骤。

“这是一次很棒的合作，因为一旦她在途径中获得了新基因，他们就会将其发送给我们，然后我们将其放入酵母中，”基斯林说。 “这对她也有好处，因为她接受了测试，看看她的烟草检测是否告诉她正确的事情。”

“一切都来自于单一的糖”

今年早些时候，Osbourn 和 Keasling发表了肥皂树生产 QS-21(在烟草中重组)的完整 20 个步骤的过程。不幸的是，烟草是植物化学的试验台，但不是生产化合物的可扩展方法。

这篇新论文在酵母中重建了这一过程，并添加了额外的步骤，因为酵母不含有植物中天然存在的一些酶。目前，一升发酵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。但酵母生物合成是可扩展的。

“即使按照我们生产的水平，它也比从工厂生产更便宜，”凯斯林说。

他说，工程酵母仅以糖为食，这是一个额外的优势。

“我的全部想法是，我想用单一的糖来制造一切。我只想给酵母喂葡萄糖，因为最终我们希望这个过程能够规模化。如果你给他们喂一堆奇特的中间体，那么就会产生结果这是一个不可扩展的过程，”基斯林说。 “最后，我想从葡萄糖开始，因此当在大型罐中进行生产时，他们能够尽可能轻松且廉价地生产 QS-21。”

虽然 Keasling 计划将大规模生产过程的优化留给其他人，但他确实希望调整他引入酵母的酶促步骤，以生产可能比 QS-21 更有效的 QS-21 变体。酵母生物合成使他能够尝试修剪 QS-21 分子，看看哪些部分可以被消除而不改变分子的有效性。