Studie: Eencellige groene alg produceert voor het eerst het volledige spike-eiwit van het coronavirus

Het team rond Anna Kiefer en Justus Niemeyer vertrouwt op de groene alg Chlamydomonas reinhardtii om het spike-eiwit te produceren. (Foto: Koziel/TUK)

Om medische werkzame stoffen te produceren, worden vaak micro-organismen zoals bacteriën ingezet. Vooral bij complexe moleculen komen ze echter aan hun grenzen, omdat ze niet in staat zijn deze te synthetiseren. Een alternatief vormt de eencellige groene algensoort Chlamydomonas reinhardtii. Onderzoekers van de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) hebben met haar voor het eerst het volledige spike-eiwit van het coronavirus kunnen produceren, dat zich aan menselijke cellen bindt. Dit was tot nu toe niet mogelijk. Het werk bewijst welke rol de alg in de toekomst kan spelen bij de productie van werkzame stoffen. De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad Frontiers in Plant Science.

Micro-organismen zoals bacteriën en gisten worden ingezet als microfabrieken, omdat daarmee op relatief eenvoudige wijze bepaalde eiwitten op industriële schaal kunnen worden geproduceerd. Dit is ook van belang voor het geneesmiddelenonderzoek, bijvoorbeeld om therapeutische eiwitten te ontwikkelen. Andere methoden zijn vaak arbeidsintensief en duurder.

Bij complexe moleculen komen bacteriën echter aan hun grenzen. "Ze zijn niet in staat om eiwitten te glykosyleren," legt Justus Niemeyer uit, promovendus in de werkgroep Moleculaire Biotechnologie en Systeembiologie van Professor Dr. Michael Schroda aan de TU Kaiserslautern. Onder glykosylatie verstaat men dat aan deze moleculen suikergroepen worden gehecht. "Elk organisme heeft daarbij een eigen karakteristiek patroon," vervolgt hij. "Deze signatuur is nodig zodat de eiwitten functioneel zijn."

Daarom komt de eencellige groene alg Chlamydomonas reinhardtii steeds meer in beeld bij het onderzoek. "Met haar kunnen complexe moleculen worden gesynthetiseerd," zegt promovenda Anna Kiefer, hoofdauteur van de huidige studie. De alg behoort, net als de mens, tot de eukaryoten. Deze hebben, in tegenstelling tot de prokaryoten, waartoe de bacteriën behoren, een celkern.

Het team om de twee heeft nu de alg gebruikt om het spike-eiwit van het coronavirus te produceren. Daarmee bindt het virus zich aan de menselijke cel. Voor het onderzoek is dit van belang omdat het een mogelijk uitgangspunt vormt voor de productie van medicijnen.

"De alg brengt ook een suikersignatuur aan het eiwit. In onze experimenten hebben we vastgesteld dat het actief is en zijn functie uitoefent. Het bindt zich in de celcultuur aan menselijke cellen, daarbij bindt het aan het ACE2-eiwit op de cel," aldus de bioloog uit Kaiserslautern.

De onderzoekers zijn er voor het eerst in geslaagd dat eiwit met behulp van de alg te produceren. "Een andere onderzoeksgroep heeft delen van het spike-eiwit gemaakt, maar het hele molecuul heeft nog niemand tot nu toe met de alg kunnen synthetiseren," zegt Niemeyer. Om de genetische informatie voor de productie van het spike-eiwit aan de alg aan te passen, hebben de wetenschappers een zogenaamd modulair systeem gebruikt. Met behulp hiervan hebben ze uit gestandaardiseerde genetische elementen snel en efficiënt DNA-constructies voor het eiwit gemaakt.

Het werk toont aan dat algen in de nabije toekomst kunnen worden ingezet voor de productie van werkzame stoffen. "Ze kunnen kosteneffectief, snel en duurzaam worden gekweekt en zijn eenvoudig te onderhouden," vat Kiefer samen.

Het team wil het onderzoek voortzetten. Onder andere willen ze werken aan het zuiveren van het spike-eiwit van de andere eiwitten die de alg produceert. Ook willen ze de glykosylatiemodellen die de alg gebruikt, grondig onderzoeken. "Hier is tot nu toe weinig over bekend," zegt Kiefer. "Zijn er bijvoorbeeld overeenkomsten met patronen bij de mens? Waar liggen de verschillen? Daar willen we ons verder in verdiepen."

De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad Frontiers in Plant Science. "Productie en secretie van functioneel SARS-CoV-2 spike-eiwit in Chlamydomonas reinhardtii"
DOI 10.3389/fpls.2022.988870