Mescolando un pizzico di luce solare e un secchio d’acqua con un soffio di anidride carbonica, si ottiene il carburante per alimentare la più recente fabbrica biologica del mondo: piccoli batteri blu-verdi chiamati spirulina.

Ingegnerizzando il cianobatterio Arthrospira platensis (spirulina) affinché esprima anticorpi contro alcune delle malattie più difficili da trattare, gli scienziati della società biotecnologica Lumen Bioscience non solo aggiungono la spirulina alla schiera di fabbriche cellulari tradizionali come il lievito e l’Escherichia coli, ma sfruttano anche la biologia unica della spirulina per produrre quantità su larga scala di biologici sicuri per malattie come la diarrea del viaggiatore e potenzialmente il COVID-19.

I cianobatteri, il phylum che comprende la spirulina, sono unici tra i batteri in quanto ricavano la loro energia dalla fotosintesi. “Sono i microrganismi più prolifici del pianeta, semplicemente perché hanno capito molto tempo fa come utilizzare la luce e la CO2 per crescere“, ha dichiarato Himadri Pakrasi, biochimico e ricercatore di cianobatteri presso la Washington University di St. Louis.

La Spirulina è composta per il 50-70% da proteine, il che la rende particolarmente adatta alla produzione di farmaci a base di proteine.
Oltre a essere facile da coltivare, la spirulina è sicura da mangiare ed è un’eccezionale fonte di proteine; la spirulina è composta per circa il 50-70% di proteine.

Sebbene molti considerino la ricchezza proteica della spirulina una caratteristica nutrizionale importante, il team di Lumen Bioscience si è reso conto che la spirulina è davvero brava a produrre proteine.

“Spesso, quando si cerca di costringere la cellula a produrre molte proteine esogene, si sottraggono risorse ad altre vie metaboliche essenziali, causando un deficit di crescita piuttosto grave”, ha dichiarato Jim Roberts, cofondatore e direttore scientifico di Lumen Bioscience. “Questo non è vero per la spirulina, perché il suo metabolismo è organizzato in questo modo“.
All’inizio, tuttavia, è stato difficile rendere la spirulina suscettibile di modifiche genetiche. “Era un problema irrisolto”, ha detto Roberts.

Ma presso l’ex società di Roberts, la Matrix Bioscience, gli scienziati hanno trovato il modo di ingegnerizzare geneticamente la spirulina per farle assumere ed esprimere DNA estraneo, come hanno riferito i ricercatori in un preprint su bioRxiv che hanno sottoposto a pubblicazione (1). Con questi metodi ottimizzati, il team di Lumen Bioscience si è reso conto di poter sfruttare l’abbondante produzione proteica della spirulina per esprimere grandi quantità di proteine terapeutiche.

“È possibile produrre una grande quantità di proteine esogene senza alcun impatto sulla crescita. Possiamo ottenere fino al 20% della biomassa con la nostra proteina esogena di interesse“, ha detto Roberts.
“È semplicemente incredibile“, ha aggiunto Brian Finrow, cofondatore e amministratore delegato di Lumen Bioscience. “Si tratta di due – quasi tre – ordini di grandezza superiori a quelli mai registrati per un sistema di espressione basato su alimenti come questo“.

Poiché la spirulina è sicura da mangiare, il team non ha bisogno di purificare le proteine terapeutiche prodotte dalle cellule di spirulina. È sufficiente coltivare la spirulina in grandi vasche ed essiccarla per ottenere una polvere.

“Tutti i processi che sono molto costosi nella produzione di farmaci biologici tradizionali non avvengono. Il costo di produzione del nostro farmaco è semplicemente il costo di coltivazione della spirulina“, ha detto Roberts.

Il basso costo di produzione e la capacità di coltivare grandi quantità di spirulina hanno attirato l’attenzione della Fondazione Bill & Melinda Gates, che ha cercato di trattare le malattie diarroiche infantili e la diarrea del viaggiatore, causate dal consumo di acqua o cibo contaminati da E. coli o Campylobacter jejuni. Le malattie diarroiche uccidono centinaia di migliaia di bambini e neonati nei paesi in via di sviluppo. I ricercatori associati alla Fondazione Gates hanno capito che potevano trattare le malattie diarroiche somministrando anticorpi neutralizzanti contro i batteri.

“La chiave di volta è stata che, anche se questo metodo funziona nelle sperimentazioni, nessuno può mai produrne abbastanza“, ha detto Finrow. “Bisogna continuare a ridosare il farmaco ogni giorno, quindi i modi tradizionali di farlo con la fermentazione sterile, ovviamente, non hanno senso“. Questo tipo di produzione non sarebbe in grado di produrre una quantità sufficiente di farmaco per tutti i bambini del mondo che ne hanno bisogno.

Grazie all’efficiente produzione di proteine da parte della spirulina, il team di Lumen Bioscience ha già completato uno studio clinico di fase uno per testare il cocktail di anticorpi contro la diarrea del viaggiatore e non ha riscontrato effetti avversi nelle persone sane, anche a dosi di 9000 mg al giorno.

Quando Finrow ha chiesto ai coordinatori dello studio clinico come si sentissero le persone coinvolte nella sperimentazione ad assumere una dose così elevata di spirulina, è rimasto sorpreso dalla loro risposta.

“Le persone hanno fatto di tutto per chiedere di essere avvisate in modo speciale per offrirsi di nuovo come volontari in futuro, se dovessero fare altri studi clinici sulla spirulina in questa unità di sperimentazione“, ha detto. “Di solito le persone non amano ingoiare una pillola o non vogliono sottoporsi a flebo o iniezioni, quindi questa è stata una lezione molto importante in questo primo studio. Alle persone piace molto mangiare la spirulina“.

Il team di Lumen Bioscience si sta ora preparando per uno studio clinico di fase due per testare l’efficacia del biologico prodotto dalla spirulina contro la diarrea del viaggiatore. Inoltre, sta sviluppando un cocktail di anticorpi per trattare i sintomi gastrointestinali del COVID-19 e ha stretto una collaborazione con Google per utilizzare l’apprendimento automatico per ottimizzare la capacità di produzione della spirulina (2).

Migliorando la produzione, il team spera di ridurre il costo del loro farmaco biologico per la diarrea del viaggiatore, in modo da poter fornire la dose due volte al giorno necessaria alle popolazioni dei Paesi in via di sviluppo a soli 10 dollari per 90 giorni di fornitura.

“Non siamo ancora a buon punto, ma abbiamo una tabella di marcia per arrivarci“, ha dichiarato Finrow. “Siamo molto contenti di lavorare con la Fondazione Gates e con Google… per prendere questo processo di miglioramento lungo decenni e ridurlo, in modo da poter ottenere qualcosa per aiutare questi bambini“.

Riferimenti

Jester, B. et al. Espressione e produzione di proteine terapeutiche nella spirulina. Preprint su https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.01.25.427910v1 (2021).

Gamble, C. et al. Ottimizzazione tramite machine learning della coltivazione di microbi fotosintetici e della produzione di proteine ricombinanti. Preprint su https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.08.06.453272v1 (2021).