Molecular Farming ist die Disziplin, die die Nutzung von Nutzpflanzen als Biofabriken für hochwertige Bioprodukte mittels Biotechnologie fördert. Die Umwandlung von Non-Food-Pflanzen in effiziente Biofabriken zu diesem Zweck wird als effiziente Lösung in einer modernen Bioökonomie und gleichzeitig als nachhaltige Strategie zur Förderung der ländlichen Entwicklung angesehen.
Eine Reihe von intrinsischen physiologischen Merkmalen von Pflanzen, einschließlich ihre riesige (bio) Produktionskapazität, ihr eukaryotische Zellorganisation, die Mangel an zufälligen Infektionserregern Auswirkungen auf Säugetiere und die Leichtigkeit der agronomische Skalierung, sind wichtige Überlegungen, die dazu beitragen, Pflanzenbiofabriken an die Spitze der Biomolekül-Produktionssysteme in der Bioökonomie zu stellen. Die Bioproduktionskapazität von Pflanzen kann entweder auf die Produktion von rekombinanten Proteinen oder kleinen Metaboliten gerichtet sein. Bei kleinen Metaboliten besteht der Engineering-Ansatz darin, die Stoffwechselflüsse der Pflanzen auf die Produktion kleiner Moleküle mit Mehrwert (z. B. Medikamente, Zusatzstoffe, Antioxidantien usw.) umzuleiten. Dieser Ansatz wird auch als Plant Metabolic Engineering bezeichnet. Das metabolische Repertoire der Pflanzen gehört zu den reichsten in der Biosphäre, und dies sagt über die Eignung von Pflanzenzellen als Biofabrik von Metaboliten aus.
Auch pflanzliche Biofabriken bauen ihren Anteil als Teil der rekombinanten Proteinindustrie aus. 1997 wurde das erste aus Pflanzen gewonnene rekombinante Protein kommerzialisiert. Dieses Protein war das Hühner-Avidin, das von ProdiGene in Mais für seine Diagnose verwendet wurde. Im selben Jahr gelang Chong und Kollegen die Expression von rekombinantem Muttermilchkasein in Kartoffelpflanzen. Andere Arten von Proteinen wie Amylasen, Phytasen und Hydrolasen werden ebenfalls in transgenen Pflanzen produziert und derzeit in der Industrie verwendet.
Einer der jüngsten Durchbrüche in der molekularen Landwirtschaft war die Produktion von ELELYSOÒ (Taliglucerase alfa) in Karottenzellen, das in der Enzymersatztherapie zur Behandlung erwachsener Patienten mit Morbus Gaucher verwendet wird (Protalix BioTherapeutics, Israel). Die Taliglucerase alfa ist das erste Beispiel für ein pflanzliches therapeutisches Protein für den menschlichen Gebrauch, das 2012 von der FDA zugelassen wurde. LeafBio, der kommerzielle Zweig von Mapp Biopharmaceutical Inc., gab 2015 bekannt, dass die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) die Zulassung erteilt hat ZMapp 'Fast Track'-Bezeichnung für die Behandlung der Ebola-Virus-Krankheit. Der Fast-Track-Status wird Arzneimitteln zuerkannt, bei denen die FDA aufgrund nicht-klinischer oder klinischer Daten das Potenzial hat, einen ungedeckten medizinischen Bedarf zu decken. Pharmazeutische Produkte auf pflanzlicher Basis haben in den letzten Jahren aufgrund der in den letzten Jahren steigenden Nachfrage nach klinischen Anwendungen großes Interesse auf sich gezogen.
Bis heute wird die biotechnologische Produktion jedoch mit wenigen Ausnahmen von mikrobiellen Systemen und Säugerzellkulturen dominiert. Die Gründe liegen in zwei miteinander verbundenen Aspekten. Einer ist der technische Schwierigkeit mit der Einführung (Selektion) präziser genetischer Veränderungen in Pflanzen im Vergleich zu Mikroorganismen und Zellkulturen, eine Schwierigkeit, die in Europa durch die strenge Regulierung gentechnisch veränderter Organismen noch verstärkt wird. Ein zweiter Faktor, der in gewisser Weise mit dem ersteren synergistisch ist, ist der Mangel an spezialisierten Plattformen für Pflanzenbiofabriken. Die Konzentration der biotechnologischen Bemühungen auf wenige spezialisierte Organismen war in der Vergangenheit entscheidend für die erfolgreiche Entwicklung von mikrobiellen und Säugetierbiofabriken. Anstatt Eigenschaften und/oder Werkzeuge für den einmaligen Gebrauch für jede Biofabrikart zu entwickeln, wurden echte Fortschritte durch die Konzentration der Bemühungen auf ein einziges Chassis erzielt, das einen virtuosen Zyklus von Werkzeugentwicklung und funktioneller Entdeckung nährte. Ein vorherrschendes Beispiel in diese Richtung sind die Bakterien Escherichia coli, die mehr als 40 Jahre Forschungsarbeit im industriellen und akademischen Bereich bündelt Dies hat zu endlosen Anpassungen und Verbesserungen in E coli´s Chassis (geringe Rekombination, reduzierte Proteolyse, virale Anfälligkeit, etc.), die gemacht haben E coli die Bakterien der Wahl für die Bioproduktion. Ebenso die Optimierung von Standardplattformen in verschiedenen Stämmen, wie z Pichia pastoris, Saccharomyces cerevisiae (Hefen) oder der Ovarialzelllinie des Chinesischen Hamsters (CHO) (Säugerzellen) hat es ermöglicht, funktionelle Hinweise zu identifizieren, um die Qualität und Ausbeute von Bioprodukten zu verbessern. Diese Hinweise können, sobald sie entschlüsselt sind, leicht auf spezialisiertere Organismen übertragen werden, aber dazu ist ein vorheriger spezialisierter Fokus unerlässlich.
Bis vor kurzem wurde keine Modellpflanzenart zur Optimierung der Pflanzenbioproduktion festgelegt. Stattdessen war die etwa 20-jährige Geschichte der Molekularwirtschaft durch die verstreute Auswahl zahlreicher Plattformarten von essbaren Pflanzen bis hin zu Industrie- oder Minderheitspflanzen gekennzeichnet. Das NEWCOTIANA-Konsortium entstand durch einen Konsens, dass die höchsteffizient Weg zu einem qualitativen Sprung im Bereich Molecular Farming ist die Bevorzugung die Konzentration der Bemühungen auf wichtige Pflanzenarten, und eine konzertierte und beschleunigte „Umnutzung“-Züchtung durchzuführen, die auf die Entwicklung von Mehrzweck-Pflanzenbiofabriken basierend auf diesen ausgewählten Genomen ausgerichtet ist. Wir sind überzeugt, dass die Nachtschattengewächse innerhalb der Gattung Nicotiana, speziell Nicotiana tabacum (kultivierter Tabak) und Nicotiana Benthamiana (Australischer Zwergtabak) sind derzeit die am besten geeigneten „Chassis“ für die Verwendung als breite Molekulare Landwirtschaftsplattformen.