Downregulation of the Nb-SABP2 gene promotes transient recombinant protein accumulation in N. benthamiana

في عالم التكنولوجيا الحيوية الحديثة، غالبًا ما يتطلع العلماء إلى أكثر المصانع كفاءة في الطبيعة لإنتاج الأدوية واللقاحات والإنزيمات الصناعية. لعقود من الزمن، كان النهج المعياري يتضمن زراعة البكتيريا أو الخلايا الثديية في أحواض ضخمة، وهي عملية يمكن أن تكون بطيئة ومكلفة ويصعب رفع مستوى إنتاجها بسرعة. تقدم النباتات بديلًا مقنعًا؛ فهي تنمو بسرعة، ولا تتطلب سوى ضوء الشمس والماء، ويمكن هندستها لإنتاج بروتينات معقدة تجد الأنظمة الأخرى صعوبة في صنعها. ومن بين جميع أنواع النباتات، أصبح نوع معين من التبغ، يُعرف باسم Nicotiana benthamiana، هو "اللاعب المفضل" لهذا النوع من "الزراعة الجزيئية". وتعود شعبيته إلى سمة بيولوجية فريدة: وهي قدرته الاستثنائية على قبول المادة الوراثية الغريبة وتحويلها إلى بروتين بسرعة كبيرة. ومع ذلك، فإن هذه السرعة تأتي مع ضريبة؛ فعندما يُدخل العلماء جينات غريبة في النبات، يتعرف الجهاز المناعي للنبات على الدخيل كتهديد ويشن دفاعًا ضده. وهذا الرد الدفاعي، رغم كونه طبيعيًا للنبات، يعمل بمثابة مكبح للإنتاج، مما يحد من كمية البروتين المفيد التي يمكن حصادها.

يكمن التحدي الجوهري للباحثين في كيفية الحفاظ على صحة ونمو النبات وفي الوقت نفسه إقناع جهازه المناعي بالتراجع بما يكفي للسماح بأقصى قدر من إنتاج البروتين. أحد اللاعبين الرئيسيين في ترسانة الدفاع لدى النبات هو هرمون يُسمى حمض الساليسيليك. في الطبيعة، يعمل هذا الهرمون كإشارة استغاثة، حيث ينبه النبات إلى وجود عدوى ويطلق سلسلة من التدابير الوقائية. وهناك بروتين محدد داخل النبات، يُسمى SABP2، يعمل كمفتاح يساعد في تفعيل نظام الإنذار هذا. فعندما يكتشف النبات تهديدًا، يساعد SABP-P2 في تحويل إشارة كيميائية صامتة إلى الشكل النشط من حمض الساليسيليك، والذي يقوم بعد ذلك بحشد دفاعات النبات. وكان السؤال الذي طرحه الباحثون هو ما إذا كان خفض "مستوى صوت" هذا المفتاح المحدد سيسمح للنبات بإنتاج المزيد من البروتين المطلوب دون المعاناة من نقص في الحماية.

في دراسة حديثة، وضع باحثون في معهد "يوليوس كون" في ألمانيا هدفهم لاختبار هذه الفكرة من خلال إنشاء نسخة من نبات التبغ حيث تم إضعاف الجين المسؤول عن صنع بروتين SABP2 عمدًا. لم يقوموا بإزالة الجين تمامًا، لأن ذلك قد يجعل النبات عرضة جدًا للأمراض أو يؤدي إلى ضعف نموه، بل استخدموا تقنية لتقليل كمية SABP2 التي يمكن للنبات إنتاجها، مما أدى أساسًا إلى "تعتيم" قدرة النبات على إطلاق إنذار الخطر. ثم أدخلوا ناقلات فيروسية — وهي فيروسات معدلة غير ضارة مصممة لحمل تعليمات لصنع بروتينات محددة — في هذه النباتات المعدلة. وكان الهدف هو معرفة ما إذا كانت النباتات ذات نظام الإنذار الخافت ستنتج المزيد من البروتين المستهدف مقارنة بالنباتات العادية غير المعدلة.

كانت النتائج واضحة وقابلة للقياس. فقد نمت النباتات ذات مستويات SABP2 المنخفضة بنفس جودة النباتات العادية، ولم تظهر عليها أي علامات لتقزم النمو أو تشوهات جسدية، بل بدت صحية وقوية. ومع ذلك، عندما أدخل العلماء الناقلات الفيروسية التي تحمل تعليمات لصنع بروتين أخضر متوهج، أنتجت النباتات المعدلة كمية أكبر بكثير منه. وفي أفضل السلالات المعدلة أداءً، كانت كمية البروتين المتوهج المتراكمة أعلى بمعدل مرتين إلى ثلاث مرات من النباتات القياسية. ولم يقتقتصر هذا التأثير على نوع واحد فقط من البروتينات أو نوع واحد من الناقلات الفيروسية؛ فقد اختبر الباحثون تركيبات مختلفة، بما في ذلك بروتين يساعد الخلايا العصبية على النمو، ووجدوا نفس الزيادة في الإنتاج.

ويبدو أن الآلية وراء هذا النجاح هي نوع من المقايضة في أولويات النبات. فمن خلال تقليل جين SABP2، نجح الباحثون في إبطاء الاستجابة المناعية للنبات تجاه الناقل الفيروسي. ولأن النبات لم يكن يقاتل بقوة ضد وسيلة النقل، تمكن الفيروس من التكاثر بحرية أكبر داخل خلايا النبات. وقد تُرجم هذا النشاط الفيروسي المتزايد مباشرة إلى مستويات أعلى من البروتين المطلوب. وأكدت الدراسة أن المادة الوراثية الفيروسية نفسها كانت موجودة بكميات أكبر بك mucho في النباتات المعدلة، مما أدى بدوره إلى دفع إنتاج البروتينات المستهدفة. ووجد الباحثون أن هذا النهج يعمل باستمرار عبر نقاط زمنية مختلفة وأنواع مختلفة من الناقلات الفيروسية، مما يشير إلى أن الطريقة قوية وموثوقة.

يقدم هذا العمل حلاً عمليًا لعقبة طويلة الأمد في إنتاج البروتين القائم على النباتات. فهو يثبت أنه من الممكن ضبط الجهاز المناعي للنبات ليكون أقل تفاعلاً مع الأدوات المستخدمة في الإنتاج، دون الإضرار بصحة النبات أو نموه العام. وتشير النتائج إلى أنه من خلال الإدارة الدقيقة لإشارات الدفاع الداخلية للنبات، يمكن للعلماء إنشاء بيئة أكثر كفاءة لتصنيع المستحضرات الصيدلانية الحيوية. لم تدّعِ الدراسة أن هذه الطريقة تعمل لكل بروتين أو فيروس ممكن، ولم تشر إلى أن النباتات المعدلة محصنة ضد جميع الأمراض، بل أظهرت أنه بالنسبة للأنظمة المحددة التي تم اختبارها، أدى إضعاف مسار دفاعي واحد إلى زيادة كبيرة وقابلة للتكرار في العائد. يوفر هذا النهج أداة جديدة للباحثين الذين يهدفون إلى إنتاج الأدوية وغيرها من البروتينات القيمة بسرعة وعلى نطاق واسع، محولين دفاعات النبات الطبيعية من عقبة إلى متغير يمكن التحكم فيه.