Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Rośliny jako bioreaktory, czyli produkcja białek rekombinowanych w systemach roślinnych
Rośliny jako bioreaktory, czyli produkcja białek rekombinowanych w systemach roślinnych
Do XIX w. rośliny były dla człowieka głównym źródłem medykamentów, dzięki któremu był w stanie w pewnym stopniu poprawić swój stan zdrowia. Sytuacja zmieniła się, kiedy zaczęto produkować pierwszy lek na skalę przemysłową – aspirynę, a w latach kolejnych ekstrahowano z trzustek świń insulinę. Obecnie produkcja licznych rekombinowanych białek, której mają zastosowanie kliniczne może być przeprowadzana w systemach bakteryjnych, zwierzęcych i drożdżowych. Jak jednak wygląda ich produkcja w roślinach?

Rozwój inżynierii genetycznej pozwala na opracowywanie z roku na rok nowych sposobów produkowania różnego typu związków o charakterze terapeutycznym. Jednym z nich jest wykorzystanie w tym celu transformowanych genetycznie roślin. Można zapytać – jakie zalety wynikają z produkcji rekombinowanych białek w systemach roślinnych? W tym miejscu należy wymienić kilka takich czynników. Przede wszystkim jest to metoda tania i wydajna, można otrzymać duże ilości materiału roślinnego przy niewielkich kosztach produkcji. Ponadto, takie systemy cechują się eukariotycznym szlakiem biosyntezy białek, co jest przewagą nad systemami bakteryjnymi, które nie mają zdolności do wprowadzania potranslacyjnych modyfikacji, a poza tym białka uzyskane w bakteriach należy oczyszczać, aby wykluczyć ryzyko występowania endotoksyn bakteryjnych. Produkty uzyskane w roślinach pozbawione są zarówno toksyn bakteryjnych jak i patogenów człowieka. Istnieją oczywiście także hodowle komórek ssaczych, jednak pozyskiwanie w ten sposób rekombinowanych białek jest procedurą kosztowną, wymagającą zakupu wyspecjalizowanego sprzętu.

W niektórych przypadkach nie jest potrzebne izolowanie i oczyszczanie produktu, ponieważ można spożyć bezpośrednio owoc lub warzywo, w którym następuje jego ekspresja. Tak się dzieje w przypadku tzw. „szczepionek jadalnych”

 

Nie jest to jednak metoda pozbawiona wad. Istnieje tutaj możliwość wyciszania genów, a także niejednolitego poziomu ekspresji, które wpłyną niekorzystnie na przebieg produkcji. Ważną przeszkodą jest także długi okres wegetacyjny roślin, co znacznie opóźnia produkcję białek. Jest on uzależniony od warunków zewnętrznych, dlatego ewentualne zmiany temperatury czy oświetlenia mogą mieć niebagatelny wpływ na proces produkcji. Występowanie roślinnych glikanaz może również zmieniać właściwości białek rekombinowanych.

 

Aby roślina mogła produkować interesujące nas białko, należy wprowadzić do jej genomu niezbędną informację genetyczną podczas procesu transformacji (za pomocą np.: agroinfekcji czy bombardowania biolistycznego). W ten sposób białko rekombinowane jest produkowane wraz z innymi, naturalnie występującymi w roślinie białkami. Dlatego działanie takiej rośliny, produkującej duże ilości białka, można porównać do bioreaktora. Najczęściej stosuje się tytoń, kukurydzę, ryż oraz pomidora.

 

Z tym zagadnieniem łączy się także pojęcie „molekularna uprawa” (ang. molecular farming), które oznacza po prostu produkcję na masową skalę (uprawy polowe) rekombinowanych białek za pomocą roślin. Jest to jednak poprzedzone identyfikacją i analizą molekularną interesującego nas białka oraz jego ekspresją w systemie komórkowym. Najpierw przeprowadzane są badania laboratoryjne, uprawy szklarniowe oraz polowe. Oczywiście, należy mieć na uwadze fakt, że w przypadku upraw polowych, transgen lub jego produkt może w sposób niekontrolowany przedostać się do środowiska, a w etapach następnych zagrozić bioróżnorodności. Jest to jednak mało prawdopodobne, ponieważ takie uprawy są prowadzone ze szczególną ostrożnością i istnieją specjalne protokoły, które mają na celu wyeliminowanie jakiejkolwiek możliwości horyzontalnego transferu genów. Istnieje także możliwość transformacji chloroplastów, co zapobiega takiej sytuacji.  Następne fazy produkcji opierają się na badaniach klinicznych i wprowadzeniu produktu na rynek.

Produkcję takich białek można oczywiście prowadzić tylko w warunkach laboratoryjnych, gdzie najczęściej stosuje się w tym celu kultury tkankowe oraz zawiesiny komórkowe roślin. Pozwala to na ścisłe kontrolowanie warunków hodowli.

 

Obecnie spektrum produkowanych rekombinowanych białek w roślinach jest bardzo szerokie. Pierwszym takim białkiem był ludzki hormon wzrostu, którego ekspresja została po raz pierwszy otrzymana w 1986r. w słoneczniku oraz tytoniu. W latach późniejszych zaczęto otrzymywać także cytokiny. Są to glikoproteiny, które stanowią ważny element układu odpornościowego człowieka, a ponadto biorą udział w procesach hematopoetycznych oraz zapalnych. Stosuje się je w leczeniu między innymi takich chorób jak astma, łuszczyca, zapalenie kości i stawów, anemia oraz w chorobach nerek.

Innym przykładem mogą być tzw. „jadalne szczepionki”, czyli rośliny u których zachodzi ekspresja białka antygenowego wywołującego u człowieka odpowiedź immunologiczną, a następnie odporność (tak jak w przypadku klasycznych szczepionek). Metoda ta może nieść wiele zalet. Przede wszystkim koszty produkcji są niskie, jest ona łatwa w zastosowaniu oraz nie potrzeba wyspecjalizowanego personelu medycznego w celu jej aplikacji (istotne w krajach rozwijających się). Otrzymano do tej pory szczepionki m.in.: przeciwko zapaleniu wątroby, cholerze i wirusowi Norwalk. W roślinach można produkować także przeciwciała, zarówno w całości jak i ich fragmenty (IgA, IgG, IgM i inne).

 

Systemy roślinne są zdecydowanie bardzo ciekawym i niosącym wiele korzyści rozwiązaniem w przypadku produkcji rekombinowanych białek. Jednak jeszcze wiele aspektów takich, jak powiększenie produkcji czy sposoby oczyszczania białek musi zostać dogłębnie przeanalizowanych. Szczególną uwagę badacze muszą zwrócić na „szczepionki jadalne”, których zastosowanie mogłoby znieść wiele problemów, lecz najpierw należy dopracować metodę utrzymania się ekspresji produktu na tym samym poziome. W przeciwnym wypadku pacjent mógłby spożyć niewłaściwą dawkę.

Źródła

Góra-Sochacka A., Radkiewicz P., Napiórkowska B., Sirko A.: Wykorzystanie systemów roślinnych do produkcji rekombinowanych cytokin. Postępy Biochemii, 2009; 55: 85-94

Thilaka G.K., Kumar S.V.: A review on pharmacological use of recombinant human erythropoietin in renal and non-renal anemia and other potentialapplications in clinical practice. Biomedicine & Preventive Nutrition, 2014

KOMENTARZE
Newsletter