康奈爾大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的科學(xué)家進(jìn)行的田間試驗(yàn)的結(jié)果表明，工程煙草植株可以作為作物種植，以生產(chǎn)藥物和工業(yè)用酶及其他蛋白質(zhì)。康奈爾大學(xué)生物與環(huán)境工程系教授貝絲·阿納(Beth Ahner，PhD)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在該領(lǐng)域首次成功培育此類植物的報(bào)告中指出，在轉(zhuǎn)基因煙草植物中生產(chǎn)此類蛋白質(zhì)可能更便宜在商業(yè)規(guī)模上要比使用當(dāng)前的基于單元的方法好。他們?cè)诎l(fā)表的論文中總結(jié)道：“……我們估計(jì)，可以從田間種植的轉(zhuǎn)基因煙草植物中獲得特定的蛋白質(zhì)，而成本要比目前的細(xì)胞培養(yǎng)方法低三個(gè)數(shù)量級(jí)。”田間種植的煙草植物在葉綠體中積累大量細(xì)菌纖維素酶的同時(shí)，還能保持強(qiáng)勁的生長(zhǎng)。”

這組作者寫道，在不久的將來(lái)，用于制藥和工業(yè)應(yīng)用的重組蛋白的全球市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到3000億美元。這是一個(gè)非常多樣化的市場(chǎng)，涵蓋藥品，消費(fèi)品和工業(yè)應(yīng)用的酶以及提高食品和飼料產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。研究人員指出：“這種多樣性使多功能和可擴(kuò)展的生產(chǎn)平臺(tái)必須能夠滿足不斷變化的市場(chǎng)需求。”

大多數(shù)特殊蛋白質(zhì)是使用哺乳動(dòng)物，昆蟲(chóng)，真菌或細(xì)菌細(xì)胞培養(yǎng)物作為蛋白質(zhì)工廠生產(chǎn)的，但這些方法維護(hù)成本高，容易受到污染，并且如果需求發(fā)生變化，則不容易修改。相比之下，研究小組建議：“田間種植的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物可能會(huì)提供一種安全且具有成本效益的替代品，以擴(kuò)大或替代這個(gè)龐大且不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)的很大一部分。”

雖然可以通過(guò)將基因插入核基因組或植物葉綠體中的DNA中來(lái)實(shí)現(xiàn)植物中外源基因的表達(dá)，但商業(yè)努力往往傾向于前者而不是后者。“由于研究重點(diǎn)從概念證明到商業(yè)適用性的相對(duì)較新的轉(zhuǎn)變，植物生物技術(shù)公司尚未充分利用葉綠體工程技術(shù)。”這可能是短視的，因?yàn)榻?jīng)過(guò)深入研究的煙草植物可能提供商業(yè)上可行的研究人員指出，葉綠體工程的選擇。“…質(zhì)體工程已經(jīng)在煙草中建立了良好的基礎(chǔ)，由于其葉材產(chǎn)量高，因此提供了一個(gè)在農(nóng)業(yè)上可行的平臺(tái)。”

他們建議，實(shí)際上，工程質(zhì)體基因組而不是核基因組可能具有許多關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。在大多數(shù)農(nóng)作物中，葉綠體是從雌性植物中遺傳的，這意味著任何外來(lái)基因都不會(huì)通過(guò)花粉散布到環(huán)境中。“我們使用的技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一是，大多數(shù)農(nóng)作物的葉綠體都是通過(guò)母系遺傳的，因此基因不在花粉中，”阿納說(shuō)。“花粉是向其他轉(zhuǎn)基因作物傳播的主要問(wèn)題之一。”

每個(gè)細(xì)胞中還有數(shù)千個(gè)質(zhì)體基因組(質(zhì)體組)，因此將基因引入質(zhì)體細(xì)胞器中會(huì)導(dǎo)致每個(gè)細(xì)胞的拷貝數(shù)高。此外，質(zhì)體表現(xiàn)出高表達(dá)率，因此葉綠體轉(zhuǎn)化的植物應(yīng)積累大量的重組蛋白。

盡管研究人員已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室和溫室中對(duì)轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行了研究，但尚未進(jìn)行田間試驗(yàn)。伊利諾伊大學(xué)植物生物學(xué)教授史蒂芬·朗博士獲得了美國(guó)農(nóng)業(yè)部的許可，可以在田間種植轉(zhuǎn)基因煙草。

這意味著研究人員可以適當(dāng)?shù)卦u(píng)估轉(zhuǎn)基因植物在可變環(huán)境條件下的生長(zhǎng)狀況，并研究是否像以前的實(shí)驗(yàn)室研究那樣將轉(zhuǎn)基因蛋白產(chǎn)生的可溶性蛋白占總可溶性蛋白(TSP)的比例很高。由于工程計(jì)劃往往受到嚴(yán)重阻礙，因此工廠可能要付出一定的代價(jià)。作者評(píng)論說(shuō)：“葉綠體工程化植物在工業(yè)上的適用性的真正考驗(yàn)是在高強(qiáng)度，但可預(yù)測(cè)性較弱的露天環(huán)境中分析其生長(zhǎng)和異源蛋白質(zhì)產(chǎn)量。” “我們知道這些植物在溫室中生長(zhǎng)良好，但是我們從來(lái)沒(méi)有機(jī)會(huì)在田間進(jìn)行測(cè)試，” Ahner補(bǔ)充說(shuō)。

現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)報(bào)告了他們?cè)谧畛醯臒煵萏镩g試驗(yàn)中所使用的煙草植物，這些煙草植物被設(shè)計(jì)用來(lái)生產(chǎn)細(xì)菌蛋白Cel6A，Cel6A是一組工業(yè)上有價(jià)值的纖維素酶之一，用于制造洗滌劑，紡織品和動(dòng)物飼料加工食品。便宜的纖維素酶還可以幫助降低乙醇和其他生物質(zhì)衍生產(chǎn)品的最終成本。

田間試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)基因煙草作物產(chǎn)生的Cel6A可以占TSP的近20%，而對(duì)它們的總體生長(zhǎng)沒(méi)有任何影響。研究人員說(shuō)：“值得注意的是，與田間相比，在田間種植時(shí)，我們高產(chǎn)品系中的Cel6A積累并未顯著減少。” 他們發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化的煙草植物可以有效地增加總可溶性蛋白的合成，從而滿足生產(chǎn)Cel6A的需求，而不會(huì)影響天然蛋白的生產(chǎn)。研究小組報(bào)告說(shuō)：“即使在高度可變且不可預(yù)測(cè)的田間生長(zhǎng)條件下，TetC-cel6A轉(zhuǎn)化子仍能保持強(qiáng)勁的生長(zhǎng)和出色的Cel6A產(chǎn)量。”

“當(dāng)您將植物放入田間時(shí)，無(wú)論是干旱，溫度還是光照，它們都必須面對(duì)巨大的轉(zhuǎn)變，它們將需要擁有的所有蛋白質(zhì)，” Ahner指出。“但是我們證明，該植物在生產(chǎn)非天然蛋白質(zhì)的過(guò)程中仍然能夠在田間正常運(yùn)轉(zhuǎn)。” 那真的是突破。”

結(jié)果確實(shí)表明，第二年Cel6A產(chǎn)量下降，但這可能至少部分是由于田間的施肥方式所致。作者承認(rèn)，了解工程植物所需的確切營(yíng)養(yǎng)非常重要。“按需施肥是一種標(biāo)準(zhǔn)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的農(nóng)場(chǎng)管理策略，但是第二年田間轉(zhuǎn)化株表現(xiàn)出的局限性凸顯了仔細(xì)評(píng)估商業(yè)化葉綠體煙葉植物獨(dú)特營(yíng)養(yǎng)需求的重要性。大規(guī)模生產(chǎn)高價(jià)值的蛋白質(zhì)。”

通過(guò)傳統(tǒng)的微生物生物反應(yīng)器方法生產(chǎn)1公斤纖維素酶的成本約為10美元，作者基于假設(shè)Cel6A的TSP產(chǎn)量為20%以及在任何一個(gè)季節(jié)進(jìn)行多次葉片收獲的能力來(lái)計(jì)算，轉(zhuǎn)基因煙草作物的價(jià)格僅為每公斤8美元，但前提是必須優(yōu)化煙草田間種植以最大程度地提高蛋白質(zhì)產(chǎn)量。他們指出，還必須考慮到下游加工成本，這些成本可能占基于植物的生產(chǎn)系統(tǒng)中純化的醫(yī)用蛋白質(zhì)的最終生產(chǎn)成本的95%。“因此，從質(zhì)體工程，田間種植的煙草工廠生產(chǎn)的純蛋白質(zhì)的最終制造成本預(yù)計(jì)約為0.16-1.20 g -1。相比之下，利用中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢細(xì)胞進(jìn)行的哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的總生產(chǎn)成本為300–3000 g -1重組蛋白，而轉(zhuǎn)基因山羊奶的生產(chǎn)成本為105 g -1。”

研究小組承認(rèn)，尚不清楚從植物葉綠體中純化蛋白質(zhì)的過(guò)程是否會(huì)帶來(lái)特殊挑戰(zhàn)，但他們指出，最初的田間試驗(yàn)表明生產(chǎn)成本顯著降低，建議應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)，以研究煙草煙草植物可能代表生產(chǎn)高價(jià)值醫(yī)學(xué)和工業(yè)蛋白質(zhì)的可行選擇。作者總結(jié)說(shuō)：“現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，即使葉綠體轉(zhuǎn)化的煙草植株具有顯著的異源蛋白積累，它們?nèi)跃哂袕?qiáng)大的彈性，這代表著向葉綠體轉(zhuǎn)化的煙草植株商品化邁出了重要的一步。”

在正在進(jìn)行的工作中，合著者是Ahner實(shí)驗(yàn)室的研究生Jennifer Schmidt，她正在研究如何使植物持續(xù)產(chǎn)生不同類型的蛋白質(zhì)。Ahner說(shuō)：“我們正在嘗試?yán)斫庠试S任何蛋白質(zhì)在轉(zhuǎn)基因植物中積累的基本生物學(xué)機(jī)制。”