Rośliny biofabrykami przyszłości

Rośliny biofabrykami przyszłości
Rośliny towarzyszą człowiekowi od początku naszej cywilizacji. Są one nie
tylko źródłem pożywienia, drewna i włókien, ale także substancji o
właściwościach leczniczych. W ostatnich latach, wraz z rozwojem
inżynierii genetycznej i biotechnologii, rośliny coraz częściej wykorzystuje
się do produkcji białek rekombinowanych. Znajdują one zastosowanie w
medycynie, diagnostyce i przemyśle.
Idea wykorzystania roślin w biotechnologii zrodziła się ponad 20 lat temu, kiedy
to po raz pierwszy udało się wyprodukować ludzki hormon wzrostu w tytoniu i
słoneczniku oraz albuminę w ziemniaku i tytoniu. Sukcesy te spowodowały duże
zainteresowanie naukowców i były impulsem do dalszych badań. Na kolejne
osiągnięcia w tej nowopowstałej dziedzinie nauki nie trzeba było długo czekać. W
1989 i 1990 roku udało się uzyskać produkcję w pełni funkcjonalnych przeciwciał.
Fakt ten pokazał, że rośliny są zdolne do syntezy aktywnych białek pochodzenia
ssaczego, które można wykorzystać w medycynie. W 1992 roku wraz z
uzyskaniem produkcji powierzchniowego antygenu wirusa zapalenia wątroby typu B w
tytoniu otworzyły się drzwi do badań nad szczepionkami. Od tej pory biotechnologia roślin stała
się jedną z najszybciej rozwijających gałęzi biotechnologii.
Dlaczego rośliny są tak atrakcyjne?
Do tej pory najczęściej do produkcji białek rekombinowanych używano bakterii, drożdży,
komórek owadzich i ssaczych. Niestety każdy z tych systemów produkcyjnych posiada pewne
ograniczenia. Bakterie nie mają zdolności obróbki potranslacyjnej białek. Proces ten jest często
wymagany do osiągnięcia pełnej aktywności biologicznej białek ssaczych. Z wykorzystaniem
bakterii wiąże się również ryzyko zanieczyszczenia produktu niebezpiecznymi toksynami
bakteryjnymi oraz problem akumulacji rekombinowanych białek w postaci ciałek inkluzyjnych,
co dodatkowo utrudnia oczyszczanie, zwiększa nakłady pracy i wydłuża czas otrzymania
aktywnej biologicznie formy białka.
Drożdże jako organizmy eukariotyczne posiadają zdolność obróbki potranslacyjnej, jednak
procesy te w znaczący sposób różnią się od tych zachodzących na terenie komórek ssaczych i w
rezultacie mogą spowodować brak aktywności otrzymanego produktu.
Produkcja oparta na hodowlach tkanek ssaczych, co prawda dostarcza w pełni funkcjonalnych
białek, ale niestety wiąże się także z wysokim ryzykiem zanieczyszczenia produktu końcowego
groźnymi dla zdrowia i życia ludzi wirusami. Sam proces otrzymywania białek w ten sposób jest
bardzo kosztowny, ponieważ wymaga wykorzystania drogiego i specjalistycznego sprzętu.
Wykorzystanie zwierząt transgenicznych mogłoby stać się korzystniejszą ekonomicznie
alternatywą. Niestety i w tym przypadku występuje wysokie ryzyko skażenia
zanieczyszczeniami podobnymi do tych występujących w przypadku hodowli komórkowych.
Dodatkowo praktyka ta budzi wiele wątpliwości natury etycznej oraz nie jest akceptowana
przez społeczeństwo.
Wykorzystanie roślin minimalizuje do zera prawdopodobieństwo zanieczyszczenia produktu
końcowego patogenami wirusowymi człowieka, drobnoustrojami chorobotwórczymi czy
toksynami bakteryjnymi, zagrażającymi zdrowiu lub życiu ludzi, którym to białko zostałoby
podane. Dodatkowo, rośliny posiadają bardzo podobny do ssaczego proces obróbki
potranslacyjnej. Różnice są nieznaczne i często nie wywierają wpływu na funkcjonalność
produktu. Kolejnym argumentem przemawiającym za roślinami jest wysoki poziom syntezy oraz
akumulacji białek rekombinowanych wykazujących aktywność biologiczną. Produkcja z
wykorzystaniem roślin jest tania, ponieważ wymaga jedynie wody, światła i składników
mineralnych, co daje możliwość uzyskania dużej ilości biomasy metodami stosowanymi w
rolnictwie. Wykorzystanie roślin nie niesie negatywnego wydźwięku etycznego.
Jakie białka można uzyskać w roślinach?
Białka produkowane w roślinnach zostały podzielone na cztery główne kategorie: białka
terapeutyczne i półprodukty farmaceutyczne, białka przemysłowe (np. enzymy), przeciwciała
oraz antygeny szczepionkowe.
Pierwsza grupa obejmuje wszystkie białka używane jako leki (m.in. trombina, kolagen, insulina
oraz interferon) oraz te używane do ich produkcji (trypsyna i aprotynina). Do kolejnej grupy
należą białka przemysłowe, głównie enzymy, takie jak hydrolazy, obejmujące glikozydazy i
proteazy oraz oksydoreduktazy. Kategoria ta obejmuje także białka zaangażowane w procesy
przemiany biomasy, np. w celu produkcji etanolu.
Grupa przeciwciał obejmuje ich wszystkie formy (IgA, IgG, IgM itd.) oraz ich fragmenty. Są one
używane głównie w diagnostyce laboratoryjnej. Do ostatniej grupy należą antygeny
szczepionkowe. Szczególnym i innowacyjnym zastosowaniem może być ich wykorzystanie w tak
zwanych szczepionkach jadalnych.
Użycie roślin do produkcji białek rekombinowanych jest bardzo atrakcyjną alternatywą. Proces
produkcyjny jest tani i bezpieczny. Dzięki wykorzystaniu roślin można byłoby w znaczący
sposób zwiększyć dostępność oraz obniżyć koszty leków czy szczepionek, a także przyspieszyć
rozwój niektórych gałęzi medycyny, jak np. diagnostyki chorób poprzez wykorzystanie nowych i
tanich odczynników. Rośliny można zatem bez wątpienia nazwać biofabrykami przyszłości.
Katarzyna Kamel
Źródło:
Boehm Robert, Bioproduction of therapeutic proteins in the 21st century and the
role of plants and plant cells as production platforms, „Annals of the New York
Academy of Sciences”, Vol. 1102 (2007), s. 121–134.
Fischer Rainer, Emans Neil, Molecular farming of pharmaceutical proteins,
„Transgenic Research, Vol. 9 (2000), s. 279-299.
Horn M. E., Woodard S. L., Howard J. A., Plant molecular farming: systems and
products, „Plant Cell Reports”, Vol. 22 (2004), s. 711-720.
Rośliny można bez wątpienia nazwać biofabrykami przyszłości
Data publikacji: 05.09.2011r.