محصولات گیاهی مهندسی ژنتیکی شده امکان تولید دارو ها و پروتئین های صنعتی با هزینه کمتر را فراهم می کنند.
بر اساس نتایج آزمایش های میدانی که توسط محققان دانشگاه Cornell و دانشگاه Illions انجام شده بود، آن ها پیشنهاد کردند که گیاه تنباکو مهندسی ژنتیکی شده، چنان که امکان پذیر باشد می تواند در زمین های زراعی طبیعی به عنوان کارخانه ای گیاهی برای تولید محصولات دارویی و آنزیم های صنعتی و سایر پروتئین ها مورد استفاده قرار گیرد.
Beth Anher پروفسور دپارتمان مهندسی بیولوژیک و محیط زیست دانشگاه Cornell، سرپرست تحقیقات، اشاره می کند که تولید پروتئین ها در مقیاس تجاری از گیاهان تراژنی تنباکو نسبت به تولید آن ها با روش های پایه ای سلولی که در حال حاضر استفاده می شود، می تواند بسیار ارزان تر باشد. آن ها در نسخه چاپی تحقیقات شان با عنوان “گیاهان تنباکو در مزارع پرورش یافته، در حالی که مقادیر زیادی سلولز باکتریایی در کلروپلاست ها ذخیره می کنند، ظاهر تنومند خود را نیز حفظ می نمایند.” به این نتیجه رسیدند که: “گونه خاصی از پروتئین ها را می توان از گیاهان تراژنی تنباکو که در مزارع رشد کردند، با حجم بیشتر و هزینه ارزان تر از روش های کشت سلول که در حال حاضر استفاده می شود، به دست آورد.”
پیش بینی می شود بازار جهانی پروتئین های نوترکیب برای کاربرد های دارویی و صنعتی، در آینده نزدیک به 300 بیلیون دلار برسد!!!!!! این حوزه، بازار بسیار گسترده ای را شامل می شود از جمله: دارو، آنزیم هایی که در محصولات مصرفی و صنعت استفاده می شوند، بهبود ارزش غذایی غذاها و محصولات غذایی.
اکثر پروتئین های تخصصی با استفاده از پستانداران، حشرات، قارچ ها و یا کشت های باکتریایی به عنوان فاکتور هایی برای تولید پروتئین ها ساخته می شوند. اما این روش های تولید، علاوه بر اینکه مستعد آلودگی هستند، می توانند بسیار گران تمام شوند. همچنین در صورتی که درخواست تغییر کند به راحتی نمی توان پروسه را اصلاح کرد و محصول مورد نظر را تغییر داد. در مقابل تیم تحقیقاتی پیشنهاد می کند که: “محصولات گیاهی تراژنی، که در مزارع پرورش داده می شوند، می توانند گزینه امن تر و کم هزینه تری برای افزایش یا جایگزین کردن حجم زیادی از کمبود ها در این بازار بزرگ و در حال رشد نسبت به روش های سنتی باشد.” اصلاح ژن در گیاهان می تواند با تزریق ژن ها در داخل ژنوم هسته و یا در DNA کلروپلاست گیاه انجام شود. اما متاسفانه در بازار تجاریِ حال حاضر، بیشترِ تمرکز بر روش های قبلی است.
محققان این موضوع را خاطر نشان کردند که: “موضوع مهندسی کلروپلاست در کمپانی های بیوتکنولوژی گیاهی، بسیار دست نخورده است. البته اخیرا با توجه به تغییرات ایجاد شده در تحقیقات، تمرکز محققان از اثبات مفهوم ها، بیشتر به کاربرد های صنعتی تغییر پیدا کرده است. اگر چه این موضوع ممکن است تا حدودی کوته بینانه به نظر برسد، اما گیاه تنباکو گزینه تجاری امکان پذیری برای مهندسی کلروپلاست می تواند باشد.”
“مهندسی پلاستید ها در تنباکو، تولید یک پلتفورم با دوام زراعی را به سبب بازده فراوان متریال برگ، ایجاد می کند.”
در حقیقت آن ها پیشنهاد می کنند که مهندسی ژنوم های پلاستید بیشتر از ژنوم های هسته ای می تواند فایده داشته باشد. در بیشتر محصولات گیاهی کلروپلاست ها از گیاه ماده به ارث می رسند، به این معنی که ژن های خارجی نمی توانند توسط گرده در محیط پخش شوند. Anher می گوید: “یکی از مزایای تکنولوژی مورد استفاده ما این است که کلروپلاست ها در بیشتر محصولات گیاهی از طریق سلول های مادری به ارث برده می شوند. به همین دلیل ژن ها درگرده ها که یکی از نگرانی های اصلی برای انتشار به سایر محصولات تراژنی هستند، وجود ندارند.”
همچنین هزاران ژنوم پلاستید(پلاستوم) در هر سلول وجود دارد. بنابراین وارد کردن ژن ها به اندامک های پلاستید می تواند تعداد زیادی از ژن های مورد نظر را در هر سلول ایجاد کند. پلاستید ها علاوه بر میزان بیان بالا، همچنین در گیاهانی که کلروپلاست آن ها تغییر شکل یافته، می توانند مقدار زیادی پروتئین های نوترکیب ایجاد کنند.
محققان این پروژه، در ابتدا تنها در آزمایشگاه و گلخانه ها با گیاهان تراژنی کار کرده بودند و آزمایش های میدانی در زمین های زراعی طبیعی انجام نشده بود. این فرصت زمانی ایجاد شد که پروفسور بیولوژی گیاهی دانشگاه Illinois، دکتر استفان لانگ، مجوز کاشت گیاه های دستکاری ژنتیکی شده تنباکو در زمین کشاورزی را، از دپارتمان کشاورزی آمریکا گرفت.
این دستاورد به این معنی بود که محققان می توانستند به درستی ارزیابی کنند که چگونه گیاهان تراژنی می توانند به خوبی تحت شرایط محیطی متغیر رشد کنند و طبق مطالعات قبلی آزمایشگاهی بررسی نمایند که چگونه تولید پروتئین های تراژنی، به عنوان قسمت عمده پروتئین های محلول(TSP) در گیاهان، در هزینه گیاهان مهندسی شده موثر خواهند بود. آزمایش حقیقی این گیاهان، با کلروپلاست مهندسی ژنتیکی شده در جهت کاربرد های صنعتی، در آنالیز کردن رشد آن ها و پروتئین های دگر ساخت آن هاست؛ اما این آنالیز در محیط طبیعی کشت، در واقع در زمین های زراعی آزاد، کمتر قابل پیش بینی است. Anher اضافه می کند: “ما می دانیم که این گیاهان در گلخانه به خوبی رشد می کنند، اما این فرصت را که آن ها را در زمین زراعی آزاد آزمایش کنیم نداشتیم.”
دانشمندان به تازگی گزارش اولین آزمایش های میدانی از گیاهان تنباکو مهندسی شده، برای تولید پروتئین باکتریایی Cel6A را ارائه دادند. Cel6A یکی از گروه های پروتئینی با ارزش سلولزی، در صنعت می باشد که در تولید شوینده ها، تولید پارچه و همچنین در پروسه تولید مواد غذایی حیوانی کاربرد دارد. همچنین با تولید سلولز ارزان تر می توان هزینه نهایی اتانول و دیگر محصولات مشتق شده از بیومس را کاهش داد.
محققان می گویند: “به طور فوق العاده ای تراکم Cel6A در خط بازده در زمان رشد در زمین کشاورزی، در مقایسه با محفظه آزمایش کاهش پیدا نکرد. آن ها متوجه شدند که تنباکو تغییر شکل یافته، به طور موثری سنتز تمامی پروتئین های محلول را برای برطرف کردن نیاز تولید Cel6A، بدون اثر بر تولید پروتئین های طبیعی(Native protein) افزایش می دهد. با وجود متغیر های فراوان و شرایط غیر قابل پیش بینی رشد در زمین زراعی ترانسفورمانتِ TetC-cel6A، رشد زیاد و بازده قابل توجهی را حفظ می کند.”
Anher ذکر می کند که: “زمانی که گیاهان در زمین قرار داده می شوند با تغییرات زیادی از جمله خشکی، دما یا نور رو به رو می شوند، آن ها در این هنگام به همه پروتئین های خود نیاز خواهند داشت، اما ما نشان دادیم که گیاه هنوز قادر است عملکرد طبیعی خود را در زمین حفظ کند. این نکته در طی تولید پروتئین های غیر طبیعی(Nonnative) موفقیت قابل ملاحظه ای است.”
طراحان می گویند: “نتایج نشان می دهد که محصولات Cel6A در سال دوم کاهش پیدا می کند، اما این موضوع ممکن است مربوط به نحوه بارور کردن زمین ها باشد. این مسئله بسیار مهم است که ما درک دقیقی از مواد مغذی مورد نیاز گیاهان مهندسی شده داشته باشیم.” بارور کردن زمین زراعی به عنوان نیاز اولیه یک استاندارد است و از نظر اقتصادی کاربردی است، اما محدودیت های نشان داده شده در سال دوم ترانسفورمانت ها، اهمیت ارزیابی دقیق نیازهای مواد مغذی خاص گیاه های تنباکو که کلروپلاست آن ها مهندسی ژنتیکی شده اند، برای تولید پروتئین با ارزش بالا در مقیاس تجاری را نشان می دهد.”
در حالی که برای تولید ۱ کیلوگرم از آنزیم های سلولزی توسط روش های سنتی بیوراکتور های میکروبی تقریبا ۱۰ دلار هزینه می شود، اما طراحان برآورد کردند که هزینه فرضی تولید Cel6A در محصولات تراژنی تنباکو بر اساس بازده Cel6A(۲۰٪ ازTSP) و توانایی ایجاد محصول هایی با بافت برگ چند لایه در هر فصل، هزینه ای به کمی ۸ دلار به ازای هر کیلو است. اما تنها زمانی که زمین کشت تنباکو برای بیشترین میزان تولید پروتئین بهینه سازی شده باشد. همچنین ضروری است که هزینه های پردازش های فرعی که می تواند ۹۵٪ از هزینه های نهایی برای خالص سازی پروتئین های دارویی از سیستم های تولیدی بر پایه گیاهی را تشکیل دهد، برآورد شود. به همین دلیل انتظار می رود هزینه نهایی تولید پروتئین خالص از پلاستید مهندسی ژنتیکی شده گیاه تنباکو که در زمین زراعی رشد داده شده است، 16/0-20/1 دلار برای هر گرم می باشد. برای مقایسه، کشت های سلولی پستانداران، که در آن ها از همستر چینی استفاده می شود، هزینه کلی تولید، ۳۰۰- 3000 دلار برای هرگرم پروتئین نوترکیب می باشد، در حالی که هزینه تولید از شیر بز تراژنی ۱۰۵دلار در هر گرم است.
تیم تحقیقاتی اعلام کرده است که هنوز روند خالص سازی پروتئین ها از کلروپلاست گیاه، چالش های خاص خود را دارد. آن ها همچنین ذکر کردند که هزینه های کمتر تولید در آزمایش های میدانی اولیه باعث می شود آزمایش های بعدی این پرسش را که آیا گیاهان تنباکو مهندسی ژنتیکی شده می تواند گزینه مناسبی برای تولید دارو های با ارزش در حوزه دارویی و پروتئین های صنعتی باشد را پاسخ دهد.
در مطالعات اخیر یکی از اعضای تیم به نام جنیفر شمیت، دانشجوی فارغ التحصیل در آزمایشگاه Anher، چگونگی تولید مداوم انواع پروتئین ها از گیاه را بررسی می کند. Anher می گوید: “ما سعی می کنیم مکانیسم های ابتدایی بیولوژی را در گیاهانی که از لحاظ ژنتیکی دست کاری شده اند درک کنیم، زیرا این کار به ما اجازه می دهد که هر نوع پروتئینی را ایجاد کنیم.”
