L'agriculture moléculaire est la discipline qui promeut l'utilisation des cultures comme bio-usines pour des bioproduits de haute valeur au moyen de la biotechnologie. La conversion de cultures non alimentaires en bio-usines efficaces à cet effet est envisagée comme une solution efficace dans une bioéconomie moderne, et en même temps comme une stratégie durable pour favoriser le développement rural.
Un certain nombre de caractéristiques physiologiques intrinsèques de les plantes, comprenant leur vaste (bio) capacité de production, leur eucaryote organisation cellulaire, la absence d'agents infectieux adventices affectant les mammifères et la facilité de mise à l'échelle agronomique, sont des considérations importantes qui aident à placer les biousines végétales au premier plan des systèmes de production de biomolécules dans la bioéconomie. La capacité de bioproduction des plantes peut être orientée vers la production de protéines recombinantes ou de petits métabolites. Dans le cas des petits métabolites, l'approche d'ingénierie consiste à détourner les flux métaboliques de la plante vers la production de petites molécules à valeur ajoutée (par exemple, médicaments, additifs, antioxydants, etc.). Cette approche est également connue sous le nom d'ingénierie métabolique des plantes. Le répertoire métabolique des plantes est parmi les plus riches de la biosphère, ce qui témoigne de l'adéquation des cellules végétales en tant que biousine de métabolites.
Les bio-usines végétales augmentent également leur part dans l'industrie des protéines recombinantes. En 1997, la première protéine recombinante d'origine végétale a été commercialisée. Cette protéine était l'avidine de poulet produite dans le maïs par ProdiGene pour son utilisation dans le diagnostic. La même année, Chong et ses collègues ont obtenu l'expression de caséine de lait humain recombinante dans des plants de pomme de terre. D'autres types de protéines telles que les amylases, les phytases et les hydrolases sont également produites dans les plantes transgéniques et elles sont actuellement utilisées dans l'industrie.
L'une des percées les plus récentes de l'agriculture moléculaire a été la production d'ELELYSOÒ (taliglucérase alfa) dans des cellules de carotte, qui est utilisée dans la thérapie de remplacement enzymatique pour traiter les patients adultes atteints de la maladie de Gaucher (Protalix BioTherapeutics, Israël). La taliglucérase alfa est le premier exemple de protéine thérapeutique d'origine végétale à usage humain approuvée par la FDA en 2012. LeafBio, la branche commerciale de Mapp Biopharmaceutical Inc., a annoncé en 2015 que la Food and Drug Administration (FDA) américaine a accordé Désignation ZMapp « Fast Track » pour le traitement de la maladie à virus Ebola. La désignation accélérée est accordée aux médicaments qui, selon la FDA, ont le potentiel de répondre à un besoin médical non satisfait, sur la base de données non cliniques ou cliniques. Les produits pharmaceutiques d'origine végétale ont suscité un grand intérêt au cours des dernières années en raison de la forte demande d'applications cliniques qui a augmenté au cours des dernières années.
Cependant, à ce jour, à quelques exceptions près, la production biotechnologique a été dominée par les systèmes microbiens et les cultures de cellules de mammifères. Les raisons se trouvent dans deux aspects liés l'un à l'autre. L'un est le difficulté technique impliquant l'introduction (sélection) de modifications génétiques précises dans les plantes par rapport aux micro-organismes et aux cultures cellulaires, une difficulté qui est amplifiée en Europe par la réglementation stricte des organismes génétiquement modifiés. Un deuxième facteur, qui est en quelque sorte synergique avec le premier, est la manque de plateformes spécialisées en bio-usines végétales. La concentration des efforts de biotechnologie dans quelques organismes spécialisés était critique dans le développement réussi des bio-usines microbiennes et mammifères dans le passé. Plutôt que de développer des caractéristiques et/ou des outils à usage unique pour chaque espèce de biousine, de réels progrès ont été réalisés en concentrant les efforts sur un seul châssis, alimentant un cercle vertueux de développement d'outils et de découverte fonctionnelle. Un exemple prédominant dans cette direction est la bactérie Escherichia coli, qui concentre plus de 40 ans d'efforts de recherche dans les secteurs industriels et académiques. E. colichâssis (faible recombinaison, protéolyse réduite, susceptibilité virale, etc.), qui ont fait E. coli les bactéries de choix pour la bioproduction. De même, l'optimisation des plates-formes standard dans différents phylums, tels que Pichia pastoris, Saccharomyces cerevisiae (levures) ou la lignée cellulaire d'ovaire de hamster chinois (CHO) (cellules de mammifères) a permis l'identification d'indices fonctionnels pour améliorer la qualité et le rendement des bioproduits. Ces indices, une fois décryptés, peuvent être facilement transférés à des organismes plus spécialisés, mais pour ce faire, une focalisation spécialisée préalable est essentielle.
Jusqu'à récemment, aucune espèce végétale modèle n'avait été définie pour l'optimisation de la bioproduction végétale. Au lieu de cela, l'histoire d'environ 20 ans de l'agriculture moléculaire a été caractérisée par le choix dispersé de nombreuses espèces de plate-forme, des cultures comestibles aux cultures industrielles ou minoritaires. Le consortium NEWCOTIANA a été créé par un consensus selon lequel le le plus efficace moyen de réaliser un saut qualitatif dans le domaine de la Molecular Farming est de privilégier la concentration des efforts sur les espèces végétales clés, et d'entreprendre une sélection de « réaffectation » concertée et accélérée visant le développement de bio-usines végétales polyvalentes basées sur ces génomes sélectionnés. Nous sommes convaincus que les espèces végétales solanacées du genre Nicotiana, Plus précisément Nicotiana tabacum (tabac cultivé) et Nicotiana benthamiana (tabac nain australien), sont actuellement le « châssis » le plus approprié pour être utilisé comme large Plateformes d'agriculture moléculaire.