康奈爾大學和伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的科學家進行的田間試驗的結(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)?？的螤柎髮W生物與環(huán)境工程系教授貝絲·阿納(Beth Ahner，PhD)領(lǐng)導的研究人員在該領(lǐng)域首次成功培育此類植物的報告中指出，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)模上要比使用當前的基于單元的方法好。他們在發(fā)表的論文中總結(jié)道：“……我們估計，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胞培養(yǎng)方法低三個數(shù)量級。”田間種植的煙草植物在葉綠體中積累大量細菌纖維素酶的同時，還能保持強勁的生長。”

這組作者寫道，在不久的將來，用于制藥和工業(yè)應用的重組蛋白的全球市場預計將達到3000億美元。這是一個非常多樣化的市場，涵蓋藥品，消費品和工業(yè)應用的酶以及提高食品和飼料產(chǎn)品的營養(yǎng)價值。研究人員指出：“這種多樣性使多功能和可擴展的生產(chǎn)平臺必須能夠滿足不斷變化的市場需求。”

大多數(shù)特殊蛋白質(zhì)是使用哺乳動物，昆蟲，真菌或細菌細胞培養(yǎng)物作為蛋白質(zhì)工廠生產(chǎn)的，但這些方法維護成本高，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)作物可能會提供一種安全且具有成本效益的替代品，以擴大或替代這個龐大且不斷增長的市場的很大一部分。”

雖然可以通過將基因插入核基因組或植物葉綠體中的DNA中來實現(xiàn)植物中外源基因的表達，但商業(yè)努力往往傾向于前者而不是后者。“由于研究重點從概念證明到商業(yè)適用性的相對較新的轉(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，因為經(jīng)過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，因此提供了一個在農(nóng)業(yè)上可行的平臺。”

他們建議，實際上，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。在大多數(shù)農(nóng)作物中，葉綠體是從雌性植物中遺傳的，這意味著任何外來基因都不會通過花粉散布到環(huán)境中。“我們使用的技術(shù)的優(yōu)勢之一是，大多數(shù)農(nóng)作物的葉綠體都是通過母系遺傳的，因此基因不在花粉中，”阿納說。“花粉是向其他轉(zhuǎn)基因作物傳播的主要問題之一。”

每個細胞中還有數(shù)千個質(zhì)體基因組(質(zhì)體組)，因此將基因引入質(zhì)體細胞器中會導致每個細胞的拷貝數(shù)高。此外，質(zhì)體表現(xiàn)出高表達率，因此葉綠體轉(zhuǎn)化的植物應積累大量的重組蛋白。

盡管研究人員已經(jīng)在實驗室和溫室中對轉(zhuǎn)基因植物進行了研究，但尚未進行田間試驗。伊利諾伊大學植物生物學教授史蒂芬·朗博士獲得了美國農(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?shù)卦u估轉(zhuǎn)基因植物在可變環(huán)境條件下的生長狀況，并研究是否像以前的實驗室研究那樣將轉(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。由于工程計劃往往受到嚴重阻礙，因此工廠可能要付出一定的代價。作者評論說：“葉綠體工程化植物在工業(yè)上的適用性的真正考驗是在高強度，但可預測性較弱的露天環(huán)境中分析其生長和異源蛋白質(zhì)產(chǎn)量。” “我們知道這些植物在溫室中生長良好，但是我們從來沒有機會在田間進行測試，” Ahner補充說。

現(xiàn)在，科學家們已經(jīng)報告了他們在最初的煙草田間試驗中所使用的煙草植物，這些煙草植物被設(shè)計用來生產(chǎn)細菌蛋白Cel6A，Cel6A是一組工業(yè)上有價值的纖維素酶之一，用于制造洗滌劑，紡織品和動物飼料加工食品。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。

田間試驗表明，轉(zhuǎn)基因煙草作物產(chǎn)生的Cel6A可以占TSP的近20%，而對它們的總體生長沒有任何影響。研究人員說：“值得注意的是，與田間相比，在田間種植時，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，而不會影響天然蛋白的生產(chǎn)。研究小組報告說：“即使在高度可變且不可預測的田間生長條件下，TetC-cel6A轉(zhuǎn)化子仍能保持強勁的生長和出色的Cel6A產(chǎn)量。”

“當您將植物放入田間時，無論是干旱，溫度還是光照，它們都必須面對巨大的轉(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)的過程中仍然能夠在田間正常運轉(zhuǎn)。” 那真的是突破。”

結(jié)果確實表明，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，了解工程植物所需的確切營養(yǎng)非常重要。“按需施肥是一種標準且經(jīng)濟實用的農(nóng)場管理策略，但是第二年田間轉(zhuǎn)化株表現(xiàn)出的局限性凸顯了仔細評估商業(yè)化葉綠體煙葉植物獨特營養(yǎng)需求的重要性。大規(guī)模生產(chǎn)高價值的蛋白質(zhì)。”

通過傳統(tǒng)的微生物生物反應器方法生產(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%以及在任何一個季節(jié)進行多次葉片收獲的能力來計算，轉(zhuǎn)基因煙草作物的價格僅為每公斤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)的最終制造成本預計約為0.16-1.20 g -1。相比之下，利用中國倉鼠卵巢細胞進行的哺乳動物細胞培養(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，尚不清楚從植物葉綠體中純化蛋白質(zhì)的過程是否會帶來特殊挑戰(zhàn)，但他們指出，最初的田間試驗表明生產(chǎn)成本顯著降低，建議應進行進一步試驗，以研究煙草煙草植物可能代表生產(chǎn)高價值醫(yī)學和工業(yè)蛋白質(zhì)的可行選擇。作者總結(jié)說：“現(xiàn)場試驗表明，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)跃哂袕姶蟮膹椥裕@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。”

在正在進行的工作中，合著者是Ahner實驗室的研究生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：“我們正在嘗試理解允許任何蛋白質(zhì)在轉(zhuǎn)基因植物中積累的基本生物學機制。”