酵母已经被改造成能够完成QS-21的完全生物合成，这是一种有效的、备受追捧的基于皂苷的佐剂，可以增强对某些疫苗的免疫反应。
目前，重要的疫苗佐剂QS-21是从只能在智利找到的皂树皮树上分离出来的
这项工作代表了有史以来最长的生物合成途径之一，将来自6个不同物种的38种酶编码基因引入酵母。这种方法有望使制造QS-21成为一种可扩展的、可持续的、更便宜的方法，并有助于设计新的佐剂。
自20世纪90年代末以来，研究人员一直专注于将肥皂状化合物QS-21作为疫苗佐剂，因为它具有激活免疫系统的能力。目前，它是唯一一种被批准用于商业疫苗临床使用的基于皂苷的疫苗佐剂，包括用于带状疱疹、疟疾和Covid-19的疫苗，这在大流行期间引发了对QS-21可用性的担忧。
“从世界健康的角度来看，我们非常需要这种佐剂的替代来源，”美国加州大学伯克利分校的杰伊·凯斯林(Jay Keasling)说。他与一个国际合作团队共同领导了这项工作。
QS-21通常是从一种叫做Quillaja saponaria的皂皮树的树皮中分离出来的，这种树只在智利发现。对QS-21的需求很高，但供应有限，因为采收树皮需要成熟的树木，并且受到严格监管。此外，从树皮提取物的混合物中分离纯化QS-21费时费力，成本高，使用有毒化学物质，收率低。
QS-21的全合成以前已经实现。然而，它需要首先合成一种中间化学物质，由于分子的复杂结构——一个糖基化的三萜支架核心与一个糖基化的18碳酰基链耦合——需要76步，而且产率很低。
加州的一家名为“植物解决方案”的公司声称，通过设计和商业化一种植物组织培养方法，利用实验室生长的皂皮幼苗提取QS-21，已经解决了供应和成本问题。与此同时，今年3月发表的由多家生物技术公司参与的行业主导的研究，提出了另一种可行的生产途径，即通过培养植物细胞。
然而，Keasling认为酵母是理想的替代品。他说:“我想用一种糖来做所有的东西。”“我想先从葡萄糖开始，这样当生产过程在大型容器中进行时，他们就能尽可能简单、廉价地生产出QS-21。”
今年1月，包括英国诺维奇约翰英纳斯中心的Keasling和Anne Osbourne在内的一些研究小组发表了一篇文章，使得在酵母中制造QS-21的生物工程壮举成为可能。他们确定了QS-21的完整的20步生物合成途径，并在烟草中复制了它。
为了在酵母中重建这一途径，仅用葡萄糖和半乳糖制造QS-21，研究小组首先上调并微调了酵母菌天然甲羟戊酸途径中代谢物的传递，以产生醌酸，这是合成QS-21的关键成分。与此同时，利用Crispr基因组编辑技术，从其他六种生物(包括产生结构相似的皂苷、真菌和细菌的植物)中插入了酶编码基因。总共引入了38种酶，跨越7个酶家族，同时确保关键的代谢途径不受酵母生长和存活的影响。
英国伦敦帝国理工学院的合成生物学家Rodrigo Ledesma Amaro说:“这是代谢工程的杰作，它展示了Crispr-Cas9等合成生物学的最新进展如何用于加速发现和设计生产高价值分子的途径。”“这也是一个很好的例子，说明微生物生产可以替代不可持续的植物提取方法。”
“这项研究的规模非常大。在英国纽卡斯尔大学研究天然产物生物合成的保罗·雷斯说:“这无疑是代谢工程中最复杂的壮举之一。”“这种类型的工作充满了复杂性，我毫不怀疑，需要付出巨大的努力才能使系统运行得像现在这样好。”
然而，Amaro和Race都指出，低收益率是一个问题。目前，工程酵母需要三天的时间才能产生大约三分之一的皂皮树细胞产生的QS-21。然而，Keasling指出，酵母比树木快1000倍左右，因为只有成熟的树木才能产生QS-21。即使以我们目前的生产水平，也比从工厂生产要便宜。
Race评论说:“酵母平台的重大优化仍然需要实现产量，使其成为大规模生产QS-21的可行途径。”“这项研究代表了一段旅程的开始，我们有望通过一条途径获得这种重要的分子，而这条途径与从皂皮树中分离出来的充分记录的问题无关。”
