Молекулярное земледелие растений (PMF) — это современная сложная технология, которая использует биосинтетический механизм растений для синтеза множества рекомбинантных белков, включая промышленные и терапевтические ферменты. Он имеет ряд преимуществ перед традиционными подходами, такими как микробная ферментация и культура клеток млекопитающих, включая более низкие затраты, высокую производительность и отсутствие человеческих патогенов и эндотоксинов. Растения также обеспечивают значительную гибкость, позволяющую производить белок по индивидуальному заказу.

Виды табака, такие как Nicotiana benthamiana и Nicotiana tabacum, известны тем, что имеют нарушенный базальный иммунитет и менее надежный путь подавления рибонуклеиновой кислоты (РНК), включающий деградацию чужеродной РНК в качестве защитного механизма. Это, наряду с его коротким жизненным циклом и большой мощностью производства биомассы, делает его идеальным выбором для быстрого и эффективного производства рекомбинантного белка.

Однако, несмотря на эти многочисленные преимущества, существуют определенные ограничения на производство белка. Клетки табака требуют инженерной разработки для специфической субклеточной локализации каждого рекомбинантного белка.

Хотя многочисленные исследования изучали выработку рекомбинантного белка в табаке, требовалось всестороннее исследование стратегий субклеточной локализации. Обзор, опубликованный в Биодизайн Исследования рассматривает эту проблему и фокусируется на стратегиях нацеливания для направления рекомбинантных белков в четыре субклеточных компартмента — эндоплазматический ретикулум (ЭР), вакуоль, хлоропласт и апопласт.

Предоставляя больше контекста, доктор Ши-Цзянь Сун, исследователь из Китайской академии сельскохозяйственных наук (Китай) и один из авторов этого исследования, говорит: «Оптимизация субклеточной локализации отдельных целевых белков имеет решающее значение для успешного синтеза белка и его использование в фармакологической промышленности».

ER известен благодаря локализации рекомбинантных белков, поскольку в нем содержатся молекулярные шапероны, которые способствуют сворачиванию белка, а также минимизируют риски деградации белка. Белки, направленные к ЭР, подвергаются гомогенному гликозилированию — реакции, включающей добавление углеводов, которая необходима для многих терапевтических белков. Накопление рекомбинантных белков в Э растений может быть достигнуто путем включения N-концевого специфичного для Э пептида, специфичного для нацеливания или секреции, вместе с С-концевой удерживающей последовательностью.

Подчеркивая ограничения исследования, доктор Инхван Хван, другой автор этого исследования, упоминает: «Перегрузка Э может вызвать стресс ЭР, что в таких случаях приводит к значительному снижению выхода белка». Этого можно избежать, если осуществлять тщательный контроль на уровнях экспрессии.

Результаты этого исследования показывают, что локализация ER оптимальна для крупных сложных гликопротеинов (белков с присоединенными углеводами), которым необходимы шапероны для сворачивания. Эти гликопротеины имеют структуру углеводов, присоединенных к атому азота, аналогичную белкам млекопитающих.

Растительная вакуоль — еще одна важная органелла табака, занимающая от 80% до 90% объема клеток табачных листьев. Технология PMF использует эту огромную емкость для локализации рекомбинантного белка. Сигналы вакуольной сортировки, которые могут быть либо специфичными для местоположения, либо специфичными для последовательности, имеют решающее значение для нацеливания на вакуоли.

Указывая на интересный аспект этих вакуолей, доктор Хай-Пин Дяо говорит: «Белки могут проникать в вакуоль разными путями доставки. Рекомбинация проводится для того, чтобы гарантировать, что белок напрямую транспортируется из Э в вакуоль, минуя аппарат Гольджи. аппарат».

Некоторые белки также имеют тенденцию разлагаться в вакуоли из-за присутствия фермента расщепления, называемого протеазой. Поэтому лучше всего локализовать белки, устойчивые к кислой среде или естественным образом локализованные в лизосомах человека.

Хлоропласты в тканях табачного листа хранят самый высокий уровень нативных белков, что делает их идеальными для накопления больших количеств рекомбинантного белка. Существует две основные стратегии накопления больших количеств рекомбинантных белков — трансформация хлоропластов и ядерная трансформация.

Трансформация хлоропластов обеспечивает стабильную экспрессию чужеродных генов, оптимальные условия сворачивания белков и минимальный риск переноса из окружающей среды. Однако получение высокоурожайных трансгенных растений с помощью этого процесса сложно и требует много времени из-за определенных технических проблем.

С другой стороны, ядерная трансформация включает в себя рекомбинантный белок, слитый с транзитным пептидом хлоропласта, что позволяет ускорить производство белка. Исследование показывает, что локализация в хлоропластах может лучше всего работать для белков, которые не требуют обширных биохимических модификаций.

Растительный апопласт, важнейшее пространство между клеточной мембраной и клеточной стенкой в ​​растительных клетках, считается отличным местом для накопления рекомбинантных белков. Накопление белка в апопласте также упрощает метод очистки.

В то время как более мелкие рекомбинантные белки можно напрямую экстрагировать из апопластной жидкости, крупные белковые комплексы требуют обычного процесса очистки. Рекомбинантные белки также могут иметь нарушение структурной целостности из-за присутствия протеазы в апопласте. Чтобы избежать этого осложнения, в качестве новой стратегии все чаще используется совместная экспрессия ингибитора протеазы.

PMF обладает потенциалом совершить революцию в производстве рекомбинантных белков. Однако адаптируемые уровни производства, сопоставимые качества и проблемы стоимости остаются. Развивая свою мысль, доктор Ши-Цзянь Сун говорит: «Чтобы нормализовать использование трансгенных растений в промышленных исследованиях, важно строго соблюдать протоколы, повышать вовлеченность общественности и следовать строгим протоколам безопасности».

Модернизация структуры табачного завода, включая низкоэффективную обработку протеаз, эффективное распределение ресурсов и создание безтоксинного растительного реактора, может помочь в дальнейшем развитии. Возможная коммерциализация биопроизводства является решающим признаком развития PMF.