Растения-биофабрики

Алиса Вячеславова, ПостНаука

5 фактов о трансгенных растениях, производстве вакцин
и выработке белков медицинского назначения

Относительно новым направлением в создании трансгенных растений является использование растений в качестве растений-биофабрик. Что это значит? Это значит, что в растительных клетках будет происходить наработка разнообразных белков медицинского происхождения и назначения, разнообразных препаратов для вакцинирования, масел, витаминов и многого другого.

1. Преимущества использования растений

Почему растения-биофабрики, почему они лучше, чем существующие системы? Напомню, на сегодняшний день многие медицинские белки, фармацевтические препараты нарабатываются в дрожжах, в бактериальных клетках, а также в клетках млекопитающих. Для начала растительные биофабрики будут очень дешевыми, особенно по сравнению с клетками млекопитающих. Во-вторых, так как растения находятся в биологической классификации на разных ступенях с человеком, опасность получить какое-то заражение для человека сводится к минимуму, в отличие опять же от клеток млекопитающих, в которых могут находиться животные вирусы, могут находиться различные прионы и многое другое, что очень опасно для людей. В растениях этого не происходит, и даже если какой-то растительный вирус вдруг там окажется, то он не принесет никакого вреда человеку. В-третьих, растительные системы обладают, как и все эукариоты, способностью к посттрансляционным модификациям. Что это значит? Многие белки после образования нуждаются в различных модификациях, то есть, например, в навешивании дополнительных групп или в каком-то специальном свертывании. В дрожжах такие модификации очень сложны, а в бактериальных в принципе невозможны, потому что бактериальные системы — это прокариоты, которые не обладают способностью к посттрансляционной модификации. В растительных клетках такие возможности есть, и это еще один плюс в пользу растений для наработки медицинских белков.

2. Выработка белков в растениях

Впервые наработка человеческого белка в растениях случилась в конце 80-х, и это был человеческий гормон роста. Его наработали в табаке и в подсолнухе. Это была, конечно, сенсация, триумф, и это событие послужило началом для целого бума по наработке разнообразных человеческих и животных белков в растениях. Например, на сегодняшний день и в растениях табака, и в растениях картофеля, и в салате успешно нарабатывается интерферон различных типов: альфа, бета, гамма. Нарабатываются такие медицинские белки, как соматотропин, эритропоэтины, иммуноглобулин разнообразного вида, плюс к этому нарабатывается молочный белок казеин, нарабатываются различные эластичные белки, такие как эластин, коллаген и многие другие. Как вы видите, спектр использования нарабатываемых белков огромен. Плюс к этому наработка происходит не только в модельных объектах, таких как табак, но и в сельскохозяйственных культурах — это салат, томаты, картофель и многие другие культуры. Наработка именно в таких сельскохозяйственных культурах ведет к тому, что мы можем использовать эти культуры в качестве съедобных вакцин, что опять же является огромным преимуществом. Что значит «съедобные вакцины»? Это значит, что в какой-то съедобной части растения, будь то лист салата или клубень картофеля, происходит наработка определенного антигена или определенного эпитопа к какому-то вирусу или что в этой части растения возможна наработка каких-то антител, что тоже ведет к положительному иммунному ответу. Что самое интересное, эти исследования проводились и до сих пор проводятся, так как это направление достаточно новое, и на сегодняшний день получены положительные результаты. Помимо того, что в растениях действительно происходит эффективная наработка медицинских белков, соответствующих всем химическим стандартам и вызывающих различные иммунные ответы, так уже проведены исследования на добровольцах, которые употребляли в пищу сырой картофель, и при анализе их крови был обнаружен иммунный ответ, то есть образовывались антитела.

3. Практическое применение

Стоит подчеркнуть, что эта тема достаточно перспективна, и уже сейчас, несмотря на молодой возраст, она выходит из исключительно лабораторных исследований и применяется на практике. Например, американская компания Sigma Aldrich производит такие медицинские белки, как трипсин и многие другие, которые нарабатываются в кукурузе. То есть это рекомбинантные белки. Любой желающий может заказать их, купить, приобрести для своих исследований и практических нужд. Помимо этого, хорошим показателем для растений-биофабрик является то, что этой тематикой активно занимаются и такие промышленные монстры, как Icon Genetics, Bayer, которые производят много лекарственных препаратов, и многие ведущие научные институты, производящие уже препараты для выхода в практическое использование. В качестве примера использования съедобных вакцин на практике уже сейчас мы можем привести такие случаи, как наработка в картофеле двух антигенов. Один из них кодирует субъединицу B E. coli (кишечная палочка). Второй ген, экспрессируемый в картофеле, кодирует капсид норовируса. Эти два заболевания достаточно опасны, и они являются кишечными заболеваниями. На самом деле, если открыто говорить, кишечные заболевания по уровню заболеваемости занимают в мире одно из ведущих положений, особенно, конечно, в странах третьего мира. Полученные два модифицированных картофеля, несущие два антигена, были протестированы с участием добровольцев, и было показано, что при потреблении добровольцами сырого картофеля у них в крови образуются антитела, и, соответственно, вызывается иммунный ответ, что свидетельствует о феноменальной способности растений производить не только свои гены, включать в работу не только свои гены и производить какие-то витамины естественного происхождения, но и нарабатывать привнесенные извне белки, включать привнесенные извне гены, что является замечательным открытием.

4. Производство вакцин

Спектр применения растений-биофабрик для создания разнообразных вакцин огромен, потому что для каждого заболевания применяется своя вакцина. То есть, например, для заболевания верхних дыхательных путей мы должны сделать соответствующую вакцину. Есть заболевание гриппа такое-то — вакцина от этого гриппа. Птичий грипп — уже вакцина от птичьего гриппа. То есть какой-то универсальной вакцины мы не можем сделать, поэтому приходится создавать растения и не только растения — сейчас в фармакологии при появлении какого-то нового заболевания сразу же начинается разработка препарата от этого заболевания или разработка вакцины для предотвращения повторения заболевания, это процесс достаточно сложный. Но, что интересно для растений, мы можем в одном растительном органе, например в клубне, нарабатывать не одну вакцину, а две, три, четыре. Это связано с использованием тех конструкций, в которые мы встраиваем определенные гены. То есть у нас есть какая-то конструкция, состоящая из молекул ДНК, мы в нее можем встроить один эпитоп для вируса верхних дыхательных путей, один эпитоп для гриппа такого-то, для гриппа другого типа и все это затем переместить в растение, в клубень, и, таким образом, в одном клубне у нас будет экспрессироваться уже такая поливалентная вакцина от многих заболеваний. Опять же, это, к сожалению, неуниверсальная вакцина, но как выход, в частности для применения в ветеринарии. Как вы знаете, для животных любой укол, любое вмешательство, взятие анализа крови достаточно сложная процедура, и она слишком травматична для животного. В некоторых случаях это может сказываться на «урожайности», поэтому мне кажется, что использование таких съедобных вакцин, производящихся в кормовой траве, станет отличным выходом для того, чтобы не травмировать животное и, возможно, увеличить урожайность в некоторых случаях.

5. Сложность процедуры

Несмотря на все те плюсы, которые окружают растения-биофабрики, а именно съедобные вакцины, конечно, они обладают и своими недостатками. Например, несмотря на наличие посттрансляционных модификаций в растениях, они могут отличаться от таковых для животных клеток. Ввиду этого животные белки, производимые в растениях, могут быть менее эффективными или вообще не иметь эффекта. Кроме того, для растений-биофабрик это сложности в некоторых случаях для трансформации, для переноса генетического материала в растительные клетки. Например, сейчас мы работаем с табаком, картофелем — с рядом сельскохозяйственных культур — для них эта процедура отработана. Для спектра других растений такой процедуры еще не отработано, и именно разработка схемы достаточно сложна и достаточно длительна, и не факт, что получится. Поэтому мне кажется, что вопрос использования растений в качестве биофабрик, несмотря на всю привлекательность этой идеи, еще открыт. Этим вопросом занимаются — будем следить за развитием.

Об авторе:
Алиса Вячеславова – кандидат биологических наук, младший научный сотрудник группы геномики растений Института общей генетики РАН.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
12.12.2014