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

In de wereld van de moderne biotechnologie kijken wetenschappers vaak naar de meest efficiënte fabrieken van de natuur om medicijnen, vaccins en industriële enzymen te produceren. Decennialang bestond de standaardaanpak uit het kweken van bacteriën of zoogdiercellen in grote vaten, een proces dat traag, duur en moeilijk snel op te schalen kan zijn. Planten bieden een overtuigend alternatief. Ze groeien snel, hebben alleen zonlicht en water nodig, en kunnen worden aangepast om complexe eiwitten te produceren die andere systemen moeite hebben met het maken ervan. Onder alle plantensoorten is een specifiek type tabak, bekend als Nicotiana benthamiana, de voorkeurswerkwijze geworden voor dit soort "moleculaire landbouw". De populariteit ervan komt voort uit een unieke biologische eigenschap: het is uitzonderlijk goed in het accepteren van vreemd genetisch materiaal en het omzetten daarvan in eiwit zeer snel. Deze snelheid gaat echter gepaard met een nadeel. Wanneer wetenschappers vreemde genen in de plant introduceren, herkent het immuunsysteem van de plant de indringer vaak als een bedreiging en start het een verdediging. Deze verdedigingsreactie, hoewel natuurlijk voor de plant, werkt als een rem op de productie en beperkt de hoeveelheid nuttig eiwit die kan worden geoogst.

De kernuitdaging voor onderzoekers is hoe de plant gezond en groeiend kan houden, terwijl men de plant tegelijkertijd ervan overtuigt om de immuunrespons net genoeg te laten zakken om maximale eiwitproductie toe te staan. Een belangrijke speler in het arsenaal van de plantenverdediging is een hormoon genaamd salicylzuur. In de natuur fungeert dit hormoon als een signaalvlag die de plant waarschuwt voor een infectie en een cascade van beschermende maatregelen in gang zet. Een specifiek eiwit binnen de plant, genaamd SABP2, werkt als een schakelaar die helpt bij het activeren van dit alarmsysteem. Wanneer een plant een dreiging detecteert, helpt SABP2 bij het omzetten van een stil chemisch signaal naar de actieve vorm van salicylzuur, wat vervolgens de verdediging van de plant mobiliseert. De vraag die onderzoekers stelden, was of het zachter zetten van het volume van deze specifie specifieke schakelaar de plant zou toestaan meer van het gewenste eiwit te produceren zonder dat dit ten koste gaat van de bescherming.

In een recente studie testten onderzoekers van het Julius Kühn Instituut in Duitsland dit idee door een versie van de tabaksplant te creëren waarin het gen dat verantwoordelijk is voor de productie van het SABP2-eiwit doelbewust is verzwakt. Ze hebben het gen niet volledig verwijderd, wat de plant te kwetsbaar voor ziekten had kunnen maken of de groei slecht had kunnen beïnvloeden. In plaats daarvan gebruikten ze een techniek om de hoeveelheid SABP2 die de plant kan produceren te verminderen, wat in feat de mogelijkheid van de plant om het alarm te slaan, in feite dempt. Vervolgens introduceerden ze virale vectoren — onschadelijke, gemanipuleerde virussen die ontworpen zijn om instructies voor het maken van specifieke eiwitten te dragen — in deze gemodificeerde planten. Het doel was om te zien of de planten met het gedempte alarmsysteem meer van het doel-eiwit zouden produceren vergeleken met normale, niet-gemodificeerde planten.

De resultaten waren duidelijk en meetbaar. De planten met de verminderde SABP2-niveaus groeiden net zo goed als de normale planten en vertoonden geen tekenen van groeistagnatie of fysieke misvormingen. Ze zagen er gezond en robuust uit. Echter, toen de wetenschappers de virale vectoren introduceerden die instructies bevatten voor het maken van een lichtgevend groen eiwit, produceerden de gemodificeerde planten aanzienlijk meer ervan. In de best presterende gemodificeerde lijnen was de hoeveelheid geaccumuleerd lichtgevend eiwit twee tot drie keer hoger dan in de standaardplanten. Dit effect was niet beperkt tot slechts één type eiwit of één type virale vector; de onderzoekers testten verschillende combinaties, waaronder een eiwit dat helpt bij de groei van zenuwcellen, en vonden dezelfde boost in productie.

Het mechanisme achter dit succes lijkt een afweging te zijn in de prioriteiten van de plant. Door het SABP2-gen te verminderen, hebben de onderzoekers de immuunrespons van de plant op de virale vector effectief vertraagd. Omdat de plant niet zo hard tegen het transportmiddel vocht, kon het virus zich vrijer binnen de plantencellen vermenigvuldigen. Deze verhoogde virale activiteit vertaalde zich direct in hogere niveaus van het gewenste eiwit. De onderzoekers bevestigden dat het virale genetische materiaal zelf in veel grotere hoeveelheden aanwezig was in de gemodificeerde planten, wat op zijn beurt de productie van de doel-eiwitten aanjoeg. De onderzoekers ontdekten dat deze aanpak consistent werkte over verschillende tijdstippen en verschillende soorten virale vectoren, wat suggereert dat de methode robuust en betrouwbaar is.

Dit werk biedt een praktische oplossing voor een langdurige flessenhals in de plantgebaseerde eiwitproductie. Het demonstreert dat het mogelijk is om het immuunsysteem van een plant fijn af te stemmen om minder reactief te zijn op de instrumenten die voor de productie worden gebruikt, zonder dat dit de algehele gezondheid of groei van de plant schaadt. De bevindingen suggereren dat door de interne verdedigingssignalen van een plant zorgvuldig te beheren, wetenschappers een efficiëntere omgeving kunnen creëren voor de productie van biofarmaceutica. De studie beweerde niet dat deze methode voor elk mogelijk eiwit of virus werkt, noch suggereerde het dat de gemodificeerde planten immuun zijn voor alle ziekten. Het toonde echter aan dat voor de specifieke geteste systemen, het dempen van een enkele verdedigingsroute leidde tot een substantiële en reproduceerbare toename van de opbrengst. Deze aanpak biedt een nieuw instrument voor onderzoekers die medicijnen en andere waardevolle eiwitten snel en op grote schaal willen produceren, waarbij de natuurlijke verdediging van de plant wordt omgevormd van een obstakel naar een beheersbare variabele.