L'agricoltura molecolare è la disciplina che, attraverso le biotecnologie, promuove l'utilizzo delle colture come biofabbriche per bioprodotti di alto valore. La conversione delle colture non alimentari in biofabbriche appare come una soluzione efficiente in una bioeconomia moderna e allo stesso tempo come una strategia sostenibile per favorire lo sviluppo rurale.
Una serie di caratteristiche fisiologiche intrinseche delle piante, comprese la loro vasto (bio) capacità produttiva, la loro organizzazione cellulare eucariotica , la mancanza di agenti infettivi avventizi che colpisce i mammiferi e la facilità di scaling agronomico, sono considerazioni importanti che aiutano a porre le biofabbriche vegetali in prima linea nei sistemi di produzione di biomolecole nella bioeconomia. La capacità di bioproduzione delle piante può essere diretta verso la sintesi di proteine ricombinanti o piccoli metaboliti. Nel caso dei piccoli metaboliti, l'approccio ingegneristico consiste nel deviare i flussi metabolici delle piante verso la produzione di piccole molecole con valore aggiunto (es. farmaci, additivi, antiossidanti, ecc.). Questo approccio è noto anche come ingegneria metabolica vegetale. Il repertorio metabolico vegetale è tra i più ricchi della biosfera, e questo illustra l'adeguatezza delle cellule vegetali come biofabbrica di metaboliti.
Le biofabbriche vegetali stanno anche ampliando la loro rilevanza nell'industria delle proteine ricombinanti. Nel 1997 è stata commercializzata la prima proteina ricombinante di origine vegetale. Questa proteina era l'avidina di pollo prodotta nel mais da ProdiGene per il uso diagnostico. Lo stesso anno, Chong e colleghi hanno ottenuto l'espressione della caseina del latte umano ricombinante in patata. Anche altri tipi di proteine come amilasi, fitasi e idrolasi sono prodotte in piante transgeniche e sono attualmente utilizzate nell'industria.
Una recente svolta nel campo del molecular farming è stata la produzione in cellule di carota di ELELYSOÒ (taliglucerasi alfa), che viene utilizzata nella terapia enzimatica sostitutiva per il trattamento di pazienti adulti con malattia di Gaucher (Protalix BioTherapeutics, Israele). La taliglucerasi alfa è il primo esempio di proteina terapeutica vegetale per uso umano approvata dalla FDA nel 2012. LeafBio, il braccio commerciale di Mapp Biopharmaceutical Inc., ha annunciato nel 2015 che la Food and Drug Administration (FDA) statunitense aveva concesso a ZMapp la designazione 'Fast Track' per il trattamento della malattia da virus Ebola. La designazione rapida viene concessa ai farmaci che, secondo la FDA, hanno il potenziale per soddisfare un'esigenza medica irrisolta, sulla base di dati clinici o non clinici. I prodotti farmaceutici di origine vegetale hanno suscitato grande interesse negli ultimi anni a causa del forte aumento della domanda di applicazioni cliniche negli ultimi anni.
Tuttavia, fino ad oggi, con poche eccezioni, la produzione biotecnologica è stata dominata da sistemi microbici e colture cellulari di mammifero. Le ragioni alla base di questo si trovano in due aspetti interconnessi. Uno è la difficoltà tecnica comporta l'introduzione (selezione) di precise modificazioni genetiche nelle piante rispetto ai microrganismi e alle colture cellulari, difficoltà che in Europa è amplificata dalla rigorosa regolamentazione degli organismi geneticamente modificati. Un secondo fattore, in qualche modo sinergico con il primo, è la mancanza di piante specializzate come piattaforme per biofabbriche. La concentrazione degli sforzi biotecnologici in pochi organismi specializzati è stata fondamentale per il successo dello sviluppo di biofabbriche microbiche e di mammiferi in passato. Piuttosto che sviluppare caratteristiche e/o strumenti monouso per ogni specie di biofabbrica, sono stati compiuti progressi importanti concentrando gli sforzi in un unico chassis, alimentando un circolo virtuoso di sviluppo di strumenti e scoperta funzionale. Un esempio importante di questo sono i batteri Escherichia coli, su cui si concentrano più di 40 anni di sforzi di ricerca nei settori industriale e accademico. Ciò ha portato a infiniti adattamenti e miglioramenti del chassis E. coli(bassa ricombinazione, ridotta proteolisi, suscettibilità virale, ecc.), che hanno reso E. coli il batterio preferito per la bioproduzione. Allo stesso modo, l'ottimizzazione di piattaforme standard in diversi phyla, come Pichia pastoris, Saccharomyces cerevisiae (lieviti) o la linea cellulare dell'ovaio di criceto cinese (CHO) (cellule di mammifero) ha consentito l'identificazione di indizi funzionali per migliorare la qualità e la resa dei prodotti biologici. Questi indizi, una volta decifrati, possono essere facilmente trasferiti a organismi più specializzati, ma per farlo è essenziale un precedente focus dedicato.
Fino a poco tempo, nessuna specie vegetale modello è stata impostata per l'ottimizzazione della bioproduzione vegetale. Invece, la storia di circa 20 anni dell'agricoltura molecolare è stata caratterizzata dalla scelta sparsa di numerose specie piattaforma dalle colture commestibili alle colture industriali o minoritarie. Il consorzio NEWCOTIANA è stato creato attraverso un consenso che il più efficiente modo per ottenere un salto di qualità nel campo dell'agricoltura molecolare è favorire la concentrazione degli sforzi nelle specie vegetali chiave, e di intraprendere un "riproposizione" concertato e accelerato diretto allo sviluppo di biofabbriche vegetali multiuso basate su quei genomi selezionati. Siamo convinti che le specie di piante solanacee all'interno del genere Nicotiana, in particolare Nicotiana tabacum (tabacco coltivato) e Nicotiana benthamiana (Australian nano tabacco), sono attualmente i "chassis" più appropriati per essere utilizzati come larghi Piattaforme di agricoltura molecolare.