زراعت مولکولی و راهکارهای افزایش تولید پروتئین‌های نوترکیب در گیاهان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 ، دانش آموخته دکتری بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

2 دانشیار، گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 گروه بیوتکنولوژی و به‌نژادی گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

هدف: تقاضا برای پروتئین‌های نوترکیب دارای مصارف دارویی به‌طور چشمگیری در حال افزایش می‌باشد؛ تا حدی که صنعت داروسازی سنتی به‌تنهایی جوابگوی این تقاضا برای نسل‌های حال و آینده نخواهد بود. طی دو دهه‌ گذشته بیوراکتورهای گیاهی به ‌دلایل متعدد محبوبیت بیشتری نسبت به سایر روش‌های سنتی به‌دست آورده‌اند، از جمله این دلایل می‌توان به مقیاس‌پذیری، سرعت بالای تولید، قیمت پایین تولید، توانایی انجام تغییرات پس از ترجمه و ایمنی زیستی آن‌ها اشاره کرد. تاکنون تعداد زیادی از پروتئین‌های دارویی مهم با استفاده از فناوری زراعت مولکولی تولید شده‌اند. در این مقاله سعی شده است که ضمن معرفی مختصری از تاریخچه‌ زراعت مولکولی، انواع سیستم‎های بیانی مبتنی بر گیاهان و چالش‌های زراعت مولکولی، راهکارها و راهبردهای مناسب برای حل چالش‌های این حوزه مورد بحث و بررسی دقیق کارشناسی قرار گیرد.
نتایج: علی‌رغم پیشرفت‌های بسیار امیدوار کننده در حوزه زراعت مولکولی هنوز با دو چالش جدی مواجه هستیم؛ سطوح تجمع ناکافی پروتئین‌های نوترکیب و فقدان روش‌های تخلیص کارآمد، که لازم است مورد توجه جدی قرار گیرند. برای دستیابی به سطوح بالای تولید، فاکتورهای متعددی از قبیل: انتخاب پیشبرنده یا عناصر افزایش دهنده مناسب، بهینه‌سازی کدونی، هدف‌گیری مناسب درون سلولی، استفاده از رویکرد پروتئین الحاق شونده و غیره بایستی در نظر گرفته شوند. در صنعت داروسازی به‌طور معمول، از روش‌های کروماتوگرافی برای تخلیص پروتئین‌های نوترکیب استفاده می‌شود. کاربرد این روش‌ها به‌دلیل مقیاس پذیری، هزینه و مشکلات آلودگی ستون برای تخلیص پروتئین‌های نوترکیب مشتق شده از گیاه، دارای محدودیت‌های زیادی می‌باشند. نتیجه گیری: رویکردهای پروتئین الحاق شونده نه تنها برای افزایش عملکرد پروتئین‌های نوترکیب مشتق از گیاه بلکه برای تسهیل مراحل خالص‌سازی توسعه یافته‌اند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Molecular Farming and Strategies to Increase the Production of Recombinant Proteins in Plants

نویسندگان [English]

  • Mojgan Soleimanizadeh 1
  • Mokhtar Jalali Javaran 2
  • Abdolreza Bagheri 3
1 Ph.D. Student of Biotechnology, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran.
2 Associate Professor, Department of Biotechnology, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 Department of Biotechnology and Plant Breeding, Ferdowsi University of Mashhad
چکیده [English]

Objective
The demand for recombinant proteins with therapeutic use is dramatically increasing; so that the traditional pharmaceutical industry will not be alone to answer the demand for now and upcoming generations. During the past two decades, plant bioreactors has gained more popularity over other conventional methods for several reasons. Among these reasons are scalability, high production rates, low production costs, ability to perform post‐translational modifications, and biosafety of the bioreactor. So far, many important pharmaceutical proteins have been produced using molecular farming technology. In this paper, it has been tried besides a brief description of molecular farming history, types of plant-based systems and molecular farming challenges, appropriate strategies and methods to solve the challenges in this field were being discussed and reviewed.
 
Results
Despite the very promising advances in the field of molecular farming, we still face two serious challenges which needs to be taken seriously; insufficient accumulation levels of recombinant proteins and lack of efficient purification methods. To achieve the high levels of production, several factors should be taken into consideration, such as choice of a suitable promoter or enhancer elements, codon optimization, appropriate subcellular localization, the use of fusion tags and etc. Chromatography methods are routinely used in the pharmaceutical industry for protein purification. Application of these methods has a lot of restrictionsduo to scalability, cost and column pollution problems for purification of plant-derived pharmaceutical proteins.
 
Conclusions
Various fusion protein strategies have been developed not only to increase the yield of plant-derived recombinant proteins, but also to facilitate purification steps.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Molecular Farming
  • Plant bioreactors
  • Protein fusion tags
  • Recombinant protein purification
جلالی جواران مختار، سلیمانی‌ زاده مژگان، لطیف بابک همکاران (1393) مکانیسم‌های افزایش تولید پروتئین‌های نوترکیب در کلروپلاست. فن‌آوری زیستی در کشاورزی 5، 97-87.
جلالی جواران مختار، محب الدینی مهدی، معصومی اصل اسد (1388) موفقیت‌های کشاورزی مولکولی (molecular farming) در ایران. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 1، 48-19.
سلیمانی‌ زاده مژگان، جلالی جواران مختار، عبدالرضا باقری همکاران (1397) بررسی اثر بهینه‌سازی کدونی بر میزان بیان نانوبادی Anti-VEGF. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 9، 100-81.
References
Floss DM, Sack M, Stadlmann J et al. (2008) Biochemical and functional characterization of anti‐HIV antibody-ELP fusion proteins from transgenic plants. Plant Biotechnol J 6, 379-391.
Ganapathy M (2016) Plants as bioreactors-a review. Adv Tech Biol Med 4, 2379-1764.
Gelvin SB (2003) Agrobacterium-mediated plant transformation: the biology behind the “Gene-Jockeying” tool. Microbiol Mol Biol Rev 67, 16-37.
Hellwig S, Drossard J, Twyman RM, Fischer R (2004) Plant cell cultures for the production of recombinant proteins. Nat Biotechnol 22, 1415.
Jalali Javaran M, Mohebodini M, Masoumi Asl A (2010) The success of molecular farming in Iran. Agric Biotechnol J 1, 19-48 (in Persian).
Jalali Javaran M, Soleimanizadeh M, Latif B et al. (2014) Mechanisms to increase the production of recombinant proteins in plant chloroplasts. Agric Biotechnol 5, 87-97 (in Persian).
Jung SK, McDonald KA (2016) Improved transient production of a cellulase enzyme in detached sunflower leaves using plant hormones. Biotechnol Bioprocess Eng 21,726-732.
Karimzadegan V, Javaran VJ, Shams Bakhsh M, Javaran MJ (2018) The Effect of MeJA and temperature on the transient expression of recombinant proteins in Cucurbita pepo L. Mol Biotechnol 61, 84-92.
Lojewska E, Kowalczyk T, Sakowicz T (2016) Extraction and purification methods in downstream processing of plant-based recombinant proteins. Protein Expr Purif 120, 110-117.
Moustafa K, Makhzoum A, Trémouillaux-Guiller J (2016) Molecular farming on rescue of pharma industry for next generations. Crit Rev Biotechnol 36, 840-850
Naik PM, Al-Khayri JM (2016) Abiotic and biotic elicitors-role in secondary metabolites production through in vitro culture of medicinal plants. In: Abiotic and Biotic Stress in Plants-Recent. Advances and Future Perspectives, InTech. pp. 248-277.
Patel J, Zhu H, Menassa R et al. (2007) Elastin-like polypeptide fusions enhance the accumulation of recombinant proteins in tobacco leaves. Transgenic Res 16, 239-249.
Rigano MM, Scotti N, Cardi T (2012) Unsolved problems in plastid transformation. Bioeng 3, 329-342.
Robert S, Sainsbury F, Michaud D (2015) Leaf proteome rebalancing in tobacco for upstream enrichment of a transiently expressed recombinant protein. Plant Biotechnol J 13, 1169-1179.
Santos RB, Abranches R, Fischer R et al. (2016) Putting the spotlight back on plant suspension cultures. Front Plant Sci 7, 297.
Soleimanizadeh M, Bagheri A, Jalali javaran M et al. (2018) Enhanced expression and purification of anti-VEGF nanobody in cucurbit plants. J Plant Biochem Biot 1-8.
Soleimanizadeh M, Bagheri A, Jalali javaran M et al. (2018) Study of the effect of codon optimization on Anti-VEGF nanobody expression. Agric Biotechnol J 9, 81-100 (in Persian).
Xu J, Ge X, Dolan MC (2011) Towards high-yield production of pharmaceutical proteins with plant cell suspension cultures. Biotechnol Adv 29, 278-299.
Zagorskaya A, Deineko EV (2017) Suspension-cultured plant cells as a platform for obtaining recombinant proteins. Russ J Plant Physiol 64, 795-807.