La Agricultura Molecular es la disciplina que promueve el uso de cultivos como biofactorías de productos de alto valor añadido mediante la biotecnología. La modificación de cultivos no alimentarios para su conversión en biofactorías destinadas a la agricultura molecular, se presenta como una solución eficiente en una bioeconomía moderna y, al mismo tiempo, como una estrategia sostenible para fomentar el desarrollo rural.
Varias características fisiológicas intrínsecas de las plantas, incluyendo su vasta (bio) capacidad de producción, su organización celular eucariota , la falta de agentes infecciosos adventicios que afecten a los mamíferos y la facilidad de escalado, son consideraciones importantes que ayudan a colocar las biofactorias de plantas a la vanguardia de los sistemas de producción de biomoléculas en la bioeconomía. La capacidad de bioproducción de las plantas se puede orientar hacia la producción de proteínas recombinantes o de pequeños metabolitos. En el caso de los metabolitos, se persigue mediante la ingeniería desviar los flujos metabólicos de las plantas hacia la producción de moléculas con alto valor añadido (por ejemplo, medicamentos, aditivos, antioxidantes, etc.). Este enfoque también se conoce como ingeniería metabólica de plantas. El repertorio metabólico de las plantas se encuentra entre los más ricos de la biosfera, lo que nos da una idea de la idoneidad de las células vegetales como biofáctorias de metabolitos.
Las plantas biofactoría están también ganando terreno en la producción de proteínas recombinantes. En 1997 se comercializó la primera proteína recombinante derivada de plantas. Esta proteína, la avidina de pollo, fue producida en maíz por ProdiGene para su uso diagnóstico. El mismo año, Chong y colaboradores, lograron la expresión recombinante de la caseína de la leche humana en plantas de patata. Otros proteínas como amilasas, fitasas e hidrolasas utilizan actualmente en la industria están también producidas también en plantas transgénicas.
Uno de los avances más recientes en el campo de la agricultura molecular fue la producción de ELELYSOÒ (taliglucerasa alfa) en células de zanahoria, que se utiliza en la terapia de reemplazo enzimático para tratar pacientes adultos con enfermedad de Gaucher (Protalix BioTherapeutics, Israel). La taliglucerasa alfa es el primer ejemplo de una proteína terapéutica de origen vegetal aprobada para uso humano por la FDA en 2012. LeafBio, el brazo comercial de Mapp Biopharmaceutical Inc., anunció en 2015 que la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA) concedió a ZMapp la condición de 'Fast Track' para el tratamiento de la enfermedad causada por el virus del Ébola. La designación 'Fast Track' se otorga a los medicamentos que la FDA considera que tienen el potencial de abordar una necesidad médica no satisfecha, según datos clínicos o no clínicos. Los productos farmacéuticos derivados de plantas han atraído un gran interés en los últimos años debido a su gran demanda para aplicaciones clínicas que ha aumentado en los últimos años.
Sin embargo, hasta la fecha, salvo unas pocas excepciones, la producción biotecnológica ha estado dominada por sistemas microbianos y cultivos celulares de células de mamíferos. Esto es debido a dos factores mutuamente conectados. El primero es la dificultad técnica que supone la introducción (selección) de modificaciones genéticas precisas en plantas en comparación con microorganismos y cultivos celulares, una dificultad que se amplifica en Europa por la estricta regulación a que están sometidos los organismos modificados genéticamente. Un segundo factor, que en cierto modo es sinérgico con el primero, es la falta de plataformas especializadas de plantas biofactoría. La concentración de los esfuerzos biotecnológicos en unos pocos organismos especializados fue fundamental para el desarrollo con exito de biofáctorías microbianas y mamíferos. En lugar de desarrollar características y / o herramientas de un solo uso para cada especie biofactoría, los esfuerzos se concentraron en un solo chasis, alimentando un círculo virtuoso de desarrollo de herramientas y descubrimiento funcional. Un ejemplo sobresaliente en esta dirección es la bacteria Escherichia coli, que concentra más de 40 años de esfuerzos de investigación en los sectores industrial y académico Esto ha dado como resultado un sinfín de adaptaciones y mejoras en el chasis de E. coli(baja recombinación, proteólisis reducida, susceptibilidad viral, etc.), que han hecho de E. coli la bacteria preferida para la bioproducción. Del mismo modo, la optimización de plataformas estándar en diferentes phyla, como Pichia pastoris, Saccharomyces cerevisiae (levaduras) o la línea celular de ovario de hámster chino (CHO) (células de mamífero) ha permitido la identificación de pclaves funcionales para mejorar la calidad y el rendimiento de los bioproductos. Estas claves, una vez descifradas, se pueden transferir fácilmente a organismos más especializados, pero para ello, es esencial un enfoque especializado previo.
Hasta hace poco, no había una especie vegetal modelo para la optimización de la bioproducción vegetal. Por el contrario, los alrededor de 20 años de historia de la agricultura molecular se han caracterizado por la elección de distintas especies como plataformas de producción, desde cultivos comestibles hasta cultivos industriales o minoritarios. El consorcio NEWCOTIANA se creó sobre el consenso de que la forma más eficiente de lograr un salto cualitativo en el campo de la Agricultura Molecular es favorecer la concentración de esfuerzos en especies vegetales clavey emprender programas de mejora dirigidos al desarrollo de biofactorías vegetales polivalentes basadas en los genomas seleccionados. Estamos convencidos de que las especies de plantas solanáceas dentro del género Nicotiana, específicamente Nicotiana tabacum (tabaco cultivado) y Nicotiana benthamiana ('Tabaco enano' australiano), son actualmente el "chasis" más apropiado para ser utilizado como plataformas de Agricultura Molecular.