Pianta

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 19450 (2022) Citare questo articolo

1678 accessi

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Le terapie accessibili sono di vitale importanza per gli esseri umani in tutto il mondo. La produzione vegetale di proteine ​​ricombinanti può potenzialmente migliorare, supportare o addirittura sostituire la capacità di produzione delle tecnologie convenzionali basate sui fermentatori. Abbiamo progettato il plastoma di una cultivar di tabacco per esprimere alti livelli di due “plantachine” – citochine umane ricombinanti, interleuchine IL-37b e IL-38, e confermato la loro conformazione e ripiegamento nativi. La valutazione della loro funzionalità biologica è stata eseguita ex vivo analizzando gli effetti esercitati dalle plantachine sui livelli di 11 citochine secrete dalle cellule mononucleate del sangue periferico umano (PBMC) stimolate con un agente infiammatorio. L'applicazione di IL-37b e IL-38 prodotte dalle piante in PBMC stimolate con lipopolisaccaride o fitoemoagglutinina ha prodotto una modulazione significativa, e in casi particolari, dose-dipendente della secrezione di citochine proinfiammatorie, mostrando un'attenuazione in due terzi delle modulazioni di livello significative osservato. I trattamenti con plantachine che aumentavano le risposte infiammatorie erano associati al dosaggio più elevato. I nostri risultati dimostrano la fattibilità della produzione di proteine ​​umane ricombinanti funzionali utilizzando bioreattori vegetali scalabili, economici ed ecologici.

Le piante hanno molto senso come piattaforme di produzione per tutti i tipi di prodotti biologici. La capacità fotosintetica che consente la crescita autotrofa rende le piante la piattaforma più efficiente dal punto di vista energetico ed economica per la produzione di varie proteine ​​ricombinanti, metaboliti secondari e altre piccole molecole assortite, poiché le piante richiedono solo tre ingredienti grezzi abbondantemente disponibili per la biosintesi: anidride carbonica, acqua e luce del sole. Pertanto, la parte iniziale del processo di produzione, la "produzione a monte" che genera la biomassa accumulando il prodotto desiderato, comporta notevoli risparmi sui costi, eliminando la necessità di costruzione, manutenzione e funzionamento degli impianti di fermentazione1,2,3. I vantaggi delle fasi di “produzione a valle” del processo, in cui il prodotto desiderato viene estratto e purificato, sono riconosciuti anche per i sistemi a base vegetale, con alcuni dei colli di bottiglia affrontati in studi recenti4,5,6. Ulteriori vantaggi derivanti dallo sfruttamento delle piante come bioreattori monouso, puliti e biodegradabili per la produzione di proteine ​​ricombinanti includono la sicurezza intrinseca dovuta all'incapacità dei patogeni dei mammiferi di propagarsi nei tessuti vegetali e la scalabilità praticamente illimitata della produzione a base vegetale7,8.

Da quando sono emerse le prime segnalazioni di trasformazioni genetiche di piante e di espressione di proteine ​​eterologhe ricombinanti di origine umana in piante transgeniche, sono stati raggiunti enormi progressi tecnologici nel campo del “farmaco molecolare”, con il primo farmaco per uso umano approvato dalla FDA nel 2012, taliglucerasi alfa, prodotta nelle cellule della carota9. Oggi diversi prodotti biofarmaceutici sul mercato provengono da piante e alcune aziende biotecnologiche in tutto il mondo utilizzano piattaforme di produzione a base vegetale nei loro processi produttivi3,6,10. I bioreattori a base vegetale potrebbero rendere più accessibili molti farmaci biologici oggi in uso e fornire una fonte di terapie fornite localmente, il che può essere molto utile nel contesto dei paesi in via di sviluppo o quando le catene di approvvigionamento globali vengono interrotte6,11.

Tra le metodologie utilizzate per la produzione di proteine ​​ricombinanti a base vegetale, le piante progettate con il plastoma possiedono diverse caratteristiche vantaggiose come piattaforma, generando semplicemente biomassa pronta per l'estrazione dal seme. Le piante progettate con il plastoma possono esprimere e accumulare rese molto elevate del prodotto desiderabile e, quindi, possono rappresentare il percorso di produzione più conveniente12,13,14,15. Ci siamo prefissati di dimostrare la fattibilità di una piattaforma di bioreattori vegetali ingegnerizzati con plastomi per la produzione di citochine umane ricombinanti biologicamente attive. Sulla base dei nostri screening preliminari alla ricerca di proteine ​​preziose con un potenziale di espressione prolifica nei plastidi, abbiamo progettato il plastoma di una cultivar di tabacco a basso contenuto di alcaloidi per produrre "linee di bioreattori" che esprimono forme mature di due "plantachine": interleuchine umane IL-37 ( isoforma b, IL-37b) e IL-38, entrambe caratterizzate come citochine antinfiammatorie16,17. IL-37b e IL-38 appartengono alla famiglia IL-1 di 11 interleuchine, 7 delle quali sono proinfiammatorie18. Sia IL-37b che IL-38 funzionano nella regolazione/mitigazione delle risposte infiammatorie umane; numerosi studi hanno dimostrato un coinvolgimento centrale di IL-37b e IL-38 nell'immunità e nella malattia e, quindi, come potenziali candidati per lo sviluppo come agenti terapeutici19,20. Le linee di bioreattori create con l'ingegneria del plastoma hanno prodotto fino a circa 1 g di proteina ricombinante per 1 kg di biomassa fogliare fresca. Dopo la conferma del loro corretto ripiegamento tramite ELISA proteina-specifica, abbiamo valutato l'attività biologica delle IL-37b e IL-38 prodotte dalle piante in esperimenti ex vivo monitorando la risposta agli agenti infiammatori (IA) nel sangue periferico umano in coltura appena isolato cellule mononucleate (PBMC), manifestate nei livelli di citochine infiammatorie secrete.