Использование потенциала молекулярного земледелия

Молекулярное земледелие (Molecular Farming) - многообещающий метод, позволяющий получать биофармацевтические препараты и другие ценные соединения из растений.

 Молекулярное земледелие - это технология, при которой растения используются в качестве фабрик для производства рекомбинантных белковых продуктов, таких как антитела и вакцины для фармацевтических целей.1

“Молекулярное земледелие - это искусство и наука получения белков, представляющих фармацевтический интерес, из растений, в качестве альтернативной системы производства по сравнению с более традиционными клетками млекопитающих, дрожжами и бактериями”. объяснил Эдвард Райбицки, биотехнолог и бывший директор исследовательского отдела биофармацевтики Кейптаунского университета.

Преимущества молекулярного земледелия перед традиционными системами В 1980-х годах ученые синтезировали первый рекомбинантный человеческий инсулин из бактерии Escherichia coli.

 За прошедшие с тех пор годы исследователи изучили множество альтернативных систем экспрессии для синтеза аналогичных полезных биологических соединений, таких как насекомые, виды бактерий, отличные от кишечной палочки, грибы, дрожжи, растительные клетки в культуре и трансгенные растения и животные.

Хотя обычные бактерии обладают рядом преимуществ, включая высокий выход биологических соединений и недорогие системы экспрессии, у них отсутствуют эукариотические компаньоны, которые необходимы для правильного функционирования рекомбинантных животных белков. Кроме того, неспособность бактериальных систем осуществлять соответствующие посттрансляционные модификации, такие как гликозилирование, приводит к неправильному сворачиванию белка. Хотя модификация белка происходит в дрожжах, характер гликозилирования отличается от такового в клетках млекопитающих. В отличие от платформ прокариот и дрожжей, растения претерпевают те же посттрансляционные модификации, что и клетки млекопитающих, и экспрессируют сложные белки, такие как моноклональные антитела (mAb). “Растения, как ни странно, более тесно связаны с человеком, чем дрожжи”, - сказал Эдвард Райбицки.

Наконец, хотя трансгенные животные и системы культивирования клеток млекопитающих способствуют оптимальной экспрессии благодаря правильным модификациям белков, они дороги, что препятствует эффективному крупномасштабному производству. По сравнению с обычными многоклеточными платформами установки обеспечивают превосходную скорость, более высокую безопасность и масштабируемость для производства биофармацевтических препаратов.

Методы молекулярного земледелия “Молекулярное земледелие началось с трансгенных растений”, - говорит Райбицки. Ученые разработали несколько стратегий получения трансгенных растений с постоянными (стабильными) системами экспрессии или временными (транзиторными) системами экспрессии. У этих методов есть свои сильные стороны и ограничения, например, метод стабильной экспрессии генов полезен для крупномасштабного производства рекомбинантных белков, но он требует больше времени, чем системы временной экспрессии, для создания которых требуются месяцы.

Стабильная генетическая трансформация.

 Исследователи внедряют рекомбинантные гены в геномы растительных клеток для получения стабильных белков, используя методы ядерной или хлоропластной трансформации, которые включают интересующий ген (GOI) в ядерную хромосому или хлоропластную ДНК, соответственно.

Технология ядерной трансформации позволяет случайным образом вводить гены в ядро растения с помощью инокуляции для трансформации, опосредованной агробактериями, полиэтиленгликоля для трансформации, опосредованной протопластами, или высокоскоростных частиц, покрытых золотом или вольфрамом, для биолистических методов трансформации. Двумя ключевыми преимуществами стратегий ядерной трансформации являются множественный синтез рекомбинантных белков и крупномасштабное производство. Однако этот метод сопряжен с риском эндогенного глушения гена и нестабильной экспрессии рекомбинантного белка из-за неоптимального расположения вставки гена.

Используя аналогичные методы, исследователи могут также внедрить GOI в хромосому хлоропласта для специфической экспрессии рекомбинантного белка в тканях листьев.7 Этот процесс позволяет увеличить выход рекомбинантного белка за счет увеличения экспрессии GOI в геноме хлоропластов, который в изобилии содержится в тканях листьев.

Временная экспрессия генов Временная экспрессия генов произвела революцию в области молекулярного земледелия.8 Исследователи используют этот метод для получения целевого белка быстрее, чем методы стабильной генетической трансформации. Для временной экспрессии генов они обычно используют метод инфильтрации, опосредованный агробактериями.

При инфильтрации, опосредованной агробактериями, почвенный микроорганизм Agrobacterium tumefaciens используется для переноса ДНК в растения. В этом методе исследователи вводят культуру Agrobacterium в листья с помощью шприца без иглы или вакуума и собирают эти листья в течение 3-4 дней после инфильтрации для извлечения белков. “Все, что вам нужно сделать, - это поместить достаточное количество бактерий в листья растения для переноса ДНК, чтобы почти каждая клетка растения производила то, что вы хотите, не будучи трансгенной”, - объяснил Райбицки.

Поскольку исследователи доставляют трансгены эписомально в ядро клетки таким образом, что они не интегрируются с хромосомой хозяина, методы временной экспрессии генов не оказывают позиционного эффекта, в отличие от метода ядерной трансформации. Еще одним преимуществом этого метода является быстрая экспрессия рекомбинантного белка в течение 18-48 часов, которая остается стабильной в течение приблизительно 10 дней.

Экспрессия в суспензионных клеточных культурах Ученые разрабатывают суспензионные культуры растений, выращивая отдельные клетки из каллуса, быстро пролиферирующей массы неорганизованных клеток паренхимы. Затем они совместно культивируют клетки с A. tumefaciens для получения рекомбинантных белков. Исследователи используют клетки табака, арабидопсиса талиана, люцерны, томатов и моркови для получения рекомбинантных белков и других ценных метаболитов. Преимущество этого метода заключается в том, что растительные клетки быстрее растут в суспензии, что позволяет производить рекомбинантные белки в больших масштабах