Gemodificeerde gist met mensen-, koeien- en plantengenen synthetiseert hydrocortison in acht stappen.

Een fabriek die kleiner is dan een speldenknop, zo omschrijft Denis Pompon het. Pompon is directeur van het centrum voor moleculaire genetica van het Franse staatsonderzoeksinstituut CNRS. In samenwerking met farmaconcern Aventis is zijn onderzoeksgroep er na elf jaar in geslaagd een gistcel genetisch zo te modificeren dat hij suikers of ethanol omzet in het menselijke hormoon hydrocortison. Uitgaande van de ‘dichtst­bijzijnde’ door bakkersgist van nature geproduceerde stof vraagt dit zes reactiestappen. Daar­bij moeten allerlei ongewenste neven­reacties worden onderdrukt. Volgens de Fransen is het de meest complexe synthese die men ooit een levende cel heeft laten uitvoeren.

Ze kozen voor bakkersgist (Saccha­romyces cerevisiae) omdat de celstructuur veel gemeen heeft met die van zoogdieren. Vandaar dat deze cel zich beter leent voor de productie van menselijke stoffen dan bijvoorbeeld een bacterie. Gist is bovendien goedkoop en geldt als volkomen ongevaarlijk. Bijkomend voordeel: het DNA is een paar jaar geleden volledig in kaart gebracht. ‘Het enige nadeel is dat in gist van nature geen enkele reactiestap verloopt, die leidt tot menselijke steroïden’, aldus Pompon op zijn eigen webpagina.

Alle dertien genen goed

Hydro­cortison (ook bekend als cortisol) is misschien wel de belangrijkste van die steroïden. Het wordt vaak voorgeschreven als ontstekingsremmer en dient als uitgangspunt voor de synthese van diverse andere steroïden. Per jaar wordt wereldwijd zestig tot honderd ton hydrocortison geproduceerd. Volledige synthese uit simpele koolwaterstoffen zou zo’n veertig reactiestappen kosten. Door uit te gaan van natuurlijk voorkomende sterolen is het de industrie gelukt dit aantal terug te brengen tot negen, waaronder één waar micro-organismen voor nodig zijn.

In het februarinummer van Nature Biotechnology leggen de Fransen uit hoe ze deze synthese laten verrichten door één gistcel. Om te beginnen hebben ze een plantengen ingebouwd dat codeert voor het enzym ?7-reductase. Hierdoor wordt de natuurlijke ‘productielijn’ voor ergosterol als het ware omgebogen naar iets wat volgens de onderzoekers op cholesterol lijkt. Vervolgens volgen vijf stappen die de hydrocortisonproductie in de mitochondriën van zoogdieren nabootsen. Deze worden gekatalyseerd door acht dierlijke eiwitten, waarvoor evenzovele genen uit mensen en koeien zijn ingebouwd. Daarnaast hebben de onderzoekers nog vier bestaande gistgenen moeten uitschakelen om nevenreacties te voorkomen, waarbij ze dan weer moesten opletten dat de cel er niet helemaal mee ophield.

Volgens Pompon was ook de ‘compartimentering’ een probleem. “Bij de mens zijn verschillende organen betrokken bij de hydrocortisonsynthese, waaronder de lever en de bijnieren. Een gistcel kent geen organen. We hebben de zaak dus een beetje anders moeten reconstrueren dan in de natuur, nieuwe oplossingen moeten verzinnen, nieuwe locaties voor de enzymen, om te voorkomen dat alles door elkaar wordt gemengd.”

Helemaal perfect werkt het proces nog niet. In het beste geval bestaat het product voor zeventig procent uit hydrocortison, met 11-deoxycortisol en corticosteron als enige bijproducten. Maar Pompon voorspelt dat dit het begin is van een milieuvriendelijk én goedkoop industrieel proces.

Huisbeest

“Mijn eerste reactie is: hartstikke mooi”, zegt Colja Laane, ‘sciencemanager’ bij DSM (voorheen Gist-Brocades) in Delft. “Maar als je kijkt naar de geproduceerde hoeveelheid, 10 mg/l, dan is dat toch wat weinig. Homeopathisch wil ik niet zeggen, maar om het economisch interessant te maken moet je toch wel een factor duizend hoger zitten.”

Is die bottleneck er eenmaal uit (en ruw geschat kan dat nog wel vijf tot tien jaar duren), dan voorziet Laane een mooie toekomst voor deze en andere vormen van ‘metabolic pathway engineering’. Hij verwijst naar DSM’s eigen inspanningen met bakkersgist en de schimmels Penicillium en Aspargillus. “Wat je als bedrijf wilt, is een of twee ‘huisbeesten’ die alles voor je produceren.”

De volledige Franstalige uitleg, inclusief link naar het artikel
in Nature Biotechnology, is te vinden op
http://www.cgm.cnrs-gif.fr/pompon/page_article.html