Gentse onderzoekers lanceren met OPENPichia een industrieel open access gist-systeem om eiwitten te produceren
Het systeem met toepassingen in productie van geneesmiddelen, voedingseiwitten en industriële eiwitten, biedt een goedkoop en kwalitatief alternatief voor bestaande commerciële varianten
5 maart 2024
Gent, 05 maart 2024 – Een onderzoeksteam aan het VIB-UGent Centrum voor Medische Biotechnologie is erin geslaagd een van de belangrijkste industriële expressiesystemen voor eiwitten in open access na te bouwen. Pichia pastoris, een gist die in de biopharmaceutische industrie vaak als basis voor de productie van moleculaire bouwstenen wordt gebruikt, zat tot op heden achter een betaalmuur. Dankzij dit onderzoek kan een gelijkaardig expressiesysteem in de toekomst aan een veel lagere kost worden aangeboden en kunnen de resultaten van nieuw onderzoek veel flexibeler worden verspreid. De resultaten van het onderzoek werden gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature Microbiology.
Expressiesystemen worden in grootschalige biotechnologische productieprocessen vaak gebruikt voor de aanmaak van eiwitten. Eiwitten die op deze manier worden geproduceerd maken het overgrote deel uit van de economische waarde in de biotechnologie-sector. Zo zijn er honderden farmaceutica waarvan het actief bestanddeel uit een eiwit bestaat. Een snel groeiende sector is deze waarin eiwitten via micro-organismen worden geproduceerd voor gebruik in (vegetarische) voeding. Die expressiesystemen maken gebruik van makkelijk kweekbare, veilig bevonden natuurlijke cellen als basis. Bij die cellen wordt de nodige informatie ingebouwd om het gewenste eiwit te produceren. Daarna worden de cellen in grote gecontroleerde en volledig geïsoleerde vaten gekweekt, waarna het eiwit uit de cellen of uit de kweeksoep wordt gezuiverd. Hoewel er vandaag verschillende soorten expressiesystemen bestaan, gebeurt meer dan 90% van het biotechnologische productiewerk met slechts vier systemen: de E. coli bacterie, twee soorten zoogdiercellen en de giststam Pichia pastoris.
De voordelen van Pichia pastoris als expressiesysteem zijn al lang gekend. Zo is het een uitstekende manier om biologische componenten die voor therapeutische doeleinden worden gebruikt op te kweken. Ook de opbrengst van expressie via Pichia pastoris is vaak hoog, wat een significant voordeel is bij bv. productie van eiwitten voor geneesmiddelen. De basisstam van Pichia pastoris waar alle commerciële expressiesystemen op geënt zijn, is, ondanks het verlopen van het patent, niet vrij beschikbaar wegens verdere contractuele restricties.
Omdat de giststam achter een betaalmuur zit, moeten onderzoekers en bedrijven die vandaag van de stam willen gebruikmaken een aanzienlijke financiële vergoeding betalen. Dat maakte het lange tijd minder interessant voor zowel bedrijven als onderzoekers om met het expressiesysteem aan de slag te gaan, al was het technologisch vaak de beste oplossing. Bovendien zorgde deze onwenselijke situatie ervoor dat het lastig was voor onderzoekers om verbeteringen in het expressiesysteem vlot met elkaar te delen. Dat mocht contractueel immers vaak niet en stond zo vlotte vooruitgang in de weg.
Vlnr: Robin Vanluchene, Nico Callewaert, Katrien Claes en Dries Van Herpe.
Reverse engineering van een giststam
Tot nu, want een onderzoeksgroep aan het VIB-UGent Centrum voor Medische Biotechnologie is erin geslaagd de geheimen van de basisstam van het expressiesysteem door reverse engineering bloot te leggen. Via vergelijkende genoomsequenering kon het team afleiden om welke specifieke giststam het gaat. Heel concreet betreft het een giststam die de Nederlandse botanicus en specialist in giststammen, Herman Phaff, uit een zwarte eik (Quercus kelloggii) in de Yosemite regio heeft geïsoleerd. Die stam werd in 1954 al in de Phaff Yeast Strain collection van de University of California at Davis gedeponeerd.
Met die kennis ging een team van wetenschappers onder leiding van professor Nico Callewaert en team leidster Katrien Claes aan de slag. Zo analyseerden ze vier gelijkaardige stammen uit publieke cultuurcollecties in diverse landen, en kwam het team tot de conclusie dat een specifieke stam, NCYC 2543, een goede kandidaat was om een vrij beschikbare Pichia stam mee te ontwikkelen. Met succes, want het team heeft nu een vrij beschikbaar expressiesysteem onder de naam OPENPichia klaar.
Dr. Katrien Claes, eerste auteur van de onderzoekspaper: “Dankzij onze analyses konden we via reverse engineering een open-access Pichia chassis bouwen waarmee iedereen recombinante eiwitten aan industriële standaarden kan produceren. Om dat te bekomen, hebben we het genoom van 4 archetypes van de giststam volledig in kaart gebracht. Op basis van die kennis konden we een van die archetypes met een quasi identiek genoom als de oorspronkelijke stam gebruiken om via inbrengen van een cruciale genetische verandering uit de industriële stam tot onze geoptimaliseerde OPENPichia stam te komen. Die werd dan grondig getest zodat we konden aantonen dat OPENPichia equivalent of beter produceert dan de industriële stam die tot nog toe door de duizenden Pichia-gebruikende labs en bedrijven gebruikt wordt. We verwachten dat dit een grote impact op ons onderzoeksveld en de biotechnologische productie van eiwitten zal hebben.”
Open access wetenschap
De OPENPichia stam en een bijhorend open access systeem om de genetische eiwit-informatie in te brengen wordt nu tegen een verwaarloosbare kost aangeboden. Dat moet verder wetenschappelijk onderzoek op basis van dit expressiesysteem mogelijk maken, zonder restricties op het breed verdelen van de resulterende giststammen uit dergelijk onderzoek.
Nico Callewaert, Directeur van het VIB-UGent Centrum voor Medische Biotechnologie: “Pichia pastoris bevond zich contractueel nog in een soort twilight zone. Hoewel het patent op de technologie al jaren verstreken was, waren er nog bepaalde contractuele beslommeringen die het gebruik van dit expressiesysteem beknotten. Daarom hebben we OPENPichia gelanceerd om dit probleem eens en voor altijd op te lossen, zodat onderzoekers een naar alle relevante maatstaven identiek expressiesysteem, vrij van royalties en restricties op brede verspreiding kunnen gebruiken. Dat moet innovatie van het systeem bevorderen en op termijn de kosten van bijvoorbeeld geneesmiddelen die op deze technologie verder bouwen verlagen.”
Het beschreven onderzoek werd mede mogelijk gemaakt dankzij VLAIO, UGent, de Bill and Melinda Gates Foundation en FWO.
Meer informatie op https://openpichia.com.
Over het VIB-UGent Centrum voor Medische Biotechnologie
Onderzoek van het VIB-UGent Centrum voor Medische Biotechnologie kan leiden tot efficiëntere geneeskunde. Als we de oorzaak en de mechanismen van een ziekte kennen, kunnen we die aanpakken. Dit is veel efficiënter dan de symptomen te bestrijden, wat nu vaak gebeurt. Het onderzoek biedt een meerwaarde om ziekten te voorkomen, op te sporen of te behandelen.