Nowe techniki hodowli roślin

Rolnictwo molekularne

Rolnictwo molekularne to dyscyplina, która promuje wykorzystanie upraw jako biofabryk do produkcji bioproduktów o wysokiej wartości za pomocą biotechnologii. Przekształcenie upraw niespożywczych w wydajne biofabryki do tego celu ma być skutecznym rozwiązaniem w nowoczesnej biogospodarce, a jednocześnie zrównoważoną strategią wspierania rozwoju obszarów wiejskich.

Szereg nieodłącznych cech fizjologicznych rośliny, łącznie z ich ogromny (bio) zdolność produkcyjna, ich eukariotyczny organizacja komórkowa, brak przypadkowych czynników zakaźnych wpływających na ssaki i łatwość skalowanie agronomiczne, są ważnymi względami, które pomagają umieścić biofabryki roślin na czele systemów produkcji biomolekuł w biogospodarce. Zdolność bioprodukcyjną roślin można ukierunkować na produkcję rekombinowanych białek lub małych metabolitów. W przypadku małych metabolitów podejście inżynieryjne polega na skierowaniu przemian metabolicznych roślin na produkcję małych cząsteczek o wartości dodanej (np. leki, dodatki, przeciwutleniacze itp.). To podejście jest również znane jako inżynieria metaboliczna roślin. Repertuar metabolizmu roślin należy do najbogatszych w biosferze, co świadczy o przydatności komórek roślinnych jako biofabryki metabolitów.

Biofabryki roślin również zwiększają swój udział jako część przemysłu białek rekombinowanych. W 1997 r. skomercjalizowano pierwsze białko rekombinowane pochodzenia roślinnego. Białko to było awidyną kurzą wytwarzaną w kukurydzy przez ProdiGene do zastosowania w diagnostyce. W tym samym roku Chong i współpracownicy osiągnęli ekspresję rekombinowanej kazeiny mleka ludzkiego w roślinach ziemniaka. Inne rodzaje białek, takie jak amylazy, fitazy i hydrolazy, są również produkowane w roślinach transgenicznych i są obecnie wykorzystywane w przemyśle.

Jednym z najnowszych przełomów w hodowli molekularnej było wytwarzanie ELELYSOÒ (taligluceraza alfa) w komórkach marchwi, który jest stosowany w enzymatycznej terapii zastępczej w leczeniu dorosłych pacjentów z chorobą Gauchera (Protalix BioTherapeutics, Izrael). Taligluceraza alfa jest pierwszym przykładem białka terapeutycznego pochodzenia roślinnego do stosowania u ludzi, które zostało zatwierdzone przez FDA w 2012 roku. Oznaczenie ZMapp „Fast Track” do leczenia choroby wirusowej Ebola. Oznaczenie przyspieszone jest przyznawane lekom, które według FDA mogą potencjalnie zaspokoić niezaspokojone potrzeby medyczne na podstawie danych nieklinicznych lub klinicznych. Produkty farmaceutyczne pochodzenia roślinnego cieszą się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem ze względu na rosnące w ostatnich latach zapotrzebowanie na zastosowania kliniczne.

Jednak do tej pory, z nielicznymi wyjątkami, produkcja biotechnologiczna była zdominowana przez systemy drobnoustrojów i hodowle komórek ssaków.  Przyczyny znajdują się w dwóch wzajemnie powiązanych aspektach. Jednym z nich jest trudności techniczne polegający na wprowadzaniu (selekcji) precyzyjnych modyfikacji genetycznych w roślinach w porównaniu z mikroorganizmami i kulturami komórkowymi, co w Europie potęguje ścisła regulacja organizmów modyfikowanych genetycznie. Drugim czynnikiem, w pewnym sensie synergistycznym z pierwszym, jest: brak wyspecjalizowanych platform biofabryk roślin. W przeszłości koncentracja wysiłków biotechnologicznych na kilku wyspecjalizowanych organizmach miała kluczowe znaczenie dla pomyślnego rozwoju biofabryk drobnoustrojów i ssaków. Zamiast opracowywać charakterystyki i/lub narzędzia jednorazowego użytku dla każdego gatunku biofabryki, poczyniono prawdziwy postęp poprzez skoncentrowanie wysiłków na jednym podwoziu, napędzając prawidłowy cykl opracowywania narzędzi i odkrywania funkcji.  Dominującym przykładem w tym kierunku są bakterie Escherichia coli, który skupia ponad 40 lat wysiłków badawczych w sektorach przemysłowych i akademickich. Zaowocowało to niekończącymi się adaptacjami i ulepszeniami E colipodwozie (niska rekombinacja, zmniejszona proteoliza, podatność na wirusy itp.), które spowodowały E coli bakterie z wyboru do bioprodukcji. Podobnie optymalizacja standardowych platform w różnych typach, takich jak Pichia pastoris, Saccharomyces cerevisiae (drożdże) lub linia komórek jajnika chomika chińskiego (CHO) (komórki ssaków) umożliwiły identyfikację wskazówek funkcjonalnych w celu poprawy jakości i wydajności bioproduktów. Te wskazówki, po odszyfrowaniu, można łatwo przenieść do bardziej wyspecjalizowanych organizmów, ale aby to zrobić, konieczne jest wcześniejsze wyspecjalizowane skupienie się.

Do niedawna nie wyznaczono żadnego modelowego gatunku roślin do optymalizacji bioprodukcji roślin. Zamiast tego, około 20-letnia historia rolnictwa molekularnego charakteryzowała się rozproszonym wyborem wielu gatunków platform, od upraw jadalnych po uprawy przemysłowe lub mniejszościowe. Konsorcjum NEWCOTIANA powstało w wyniku konsensusu, że najbardziej wydajny sposobem na osiągnięcie skoku jakościowego w dziedzinie rolnictwa molekularnego jest faworyzowanie koncentracja wysiłków w kluczowych gatunkach roślin, oraz podjęcie uzgodnionej i przyspieszonej hodowli „zmieniającej przeznaczenie” ukierunkowanej na rozwój wielozadaniowych biofabryk roślin opartych na tych wybranych genomach. Jesteśmy przekonani, że psiankowate gatunki roślin w ramach rodzaju Nicotiana, konkretnie Nicotiana tabacum (uprawiany tytoń) i Nicotiana benthamiana (tytoń australijski karłowaty), są obecnie najodpowiedniejszym „podwoziem” do stosowania jako szeroka Platformy rolnictwa molekularnego.