Quando pensiamo alla coltivazione di vegetali, la prima finalità che ci viene in mente è sicuramente quella alimentare, seguita a ruota da quella ornamentale, d’altronde chi non ha mai sognato di regalare dei fiori alla propria bella? Spremendoci un po’ le meningi potrebbe venirci in mente che molte piante vengono coltivate per finire nelle tisane o altri preparati tipicamente reperibili in erboristeria o farmacia, rivestendo quindi una funzione benevola per il nostro organismo. Addirittura i più informati potrebbero sapere che alcuni vegetali sono utilizzati per sequestrare inquinanti dai suoli, ma in quanti sanno che le piante possono essere efficaci fonti di vaccini, anticorpi e altre proteine utilizzabili in ambito medico? Il “bizzarro” caso appena riportato rientra nella pratica nota come molecular farming.
Il molecular farming, anche noto come agricoltura molecolare, è una pratica biotecnologica consistente nella coltivazione di piante o colture di cellule vegetali ingegnerizzate per produrre proteine e sostanze chimiche per scopi commerciali e farmaceutici, ad esempio per produrre proteine ricombinanti, vaccini o ormoni. Solitamente le molecole prodotte trovano il loro utilizzo in ambito farmaceutico, ma anche in quello industriale. Nella situazione più tipica, lo “stabilimento produttivo” non è altro che una serra piena di piante di Nicotiana benthamiana, specie vicina a quella del tabacco, le quali sono state trasformate per la produzione e la successiva estrazione delle molecole d’interesse.
Perché utilizzare fonti vegetali?
Va da sé il fatto che la produzione di molecole altamente specifiche richieda approcci transgenici per la produzione all’interno di organismi vegetali, ma ci siamo mai chiesti quali siano le fonti convenzionali di proteine dall’alto valore, come i vaccini e gli ormoni?
Che si parli di colture di batteri, come Escherichia coli, piuttosto che di colture di lieviti, di sistemi animali (murini su tutti), di colture di cellule animali, piuttosto che di sistemi vegetali sopracitati, l’approccio transgenico è uno dei più utilizzati per operare la produzione di proteine altrimenti non sintetizzabili partendo dal corredo genetico di base. I sistemi più utilizzati ad oggi sono quelli batterici, di lievito ed i sistemi animali, ma se i sistemi vegetali stanno prendendo sempre più piede, le ragioni fondamentali sono:
- Costo contenuto rispetto a sistemi animali;
- Tempi di produzione minori rispetto ai sistemi animali;
- Alte produzioni di proteine (fino al 70% delle proteine solubili totali);
- Buona capacità di scalabilità nelle produzioni, al pari di sistemi microbici, che si traduce in una riduzione dei costi complessivi;
- Caratteristiche delle proteine prodotte (ripiegamento, glicosilazione) migliori rispetto ai sistemi microbici; in particolare è possibile ingegnerizzare gli organismi vegetali per avere specifici pattern di glicosilazione proteica, favorevoli per l’esplicarsi dell’attività endogena;
- Assenza di potenziali patogeni umani.
Quando è nato il molecular farming ? Che effetti ha prodotto?
La prima proteina prodotta con una strategia di molecular farming fu l’ormone della crescita umano, nel 1986 in tabacco e girasole; il primo anticorpo ricombinante fu invece prodotto nel 1989, mentre per il primo prodotto commercializzato si è atteso fino al 1997, con la produzione di avidina in mais transgenico. Al 2019, numerosi anticorpi, vaccini antigenici ed enzimi espressi in pianta sono fermi nei tortuosi trial clinici necessari per l’approvazione e la commercializzazione degli stessi. Una storica milestone è stata raggiunta dalla company israeliana Protalix Biotherapeutics Inc., la quale ha superato tutti i trials e raggiunto l’approvazione della Food and Drug Administration (FDA) nel 2012. Il farmaco approvato si chiama ELELYSOTM ed è un enzima, per la precisione una glucocerebrosidasi, che viene prodotto da colture cellulari di carota. Questo enzima trova il suo impiego nella cura di una malattia rara, la malattia di Gaucher.
Peraltro, ELELYSOTM rappresenta un caso in cui l’omologo vegetale non solo risulta più scalabile e quindi più conveniente dell’alternativa prodotta in colture cellulari animali, ma addirittura presenta caratteristiche fisiologiche migliori: il profilo di glicosilazione basato su sostituzioni con il mannosio permette di ottenere un enzima dalle caratteristiche qualitative ottimali per il trattamento della malattia di Gaucher. Il successo di questa tecnologia basata sul molecular farming ha dato l’impulso ad altre companies private per lanciarsi in questo settore: per esempio la Medicago Inc., azienda canadese-statunitense che ha sviluppato un vaccino quadrivalente per l’influenza stagionale, al 2019 ha completato il trial III del percorso approvativo.
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In che forma vengono somministrate le proteine prodotte?
Già dal 1996 frullava nella testa dei ricercatori l’idea di produrre vaccini edibili, ovvero compartimentare le proteine benefiche all’interno delle parti eduli di piante dal comune uso alimentare, ossia semi, frutti, tuberi e foglie. Quest’idea ha ceduto il passo alla purificazione ed estrazione delle proteine d’interesse dal resto del vegetale, per le necessità di standardizzare dosaggi e operare controlli qualità, azioni infattibili per delle proteine interne ad un alimento. Tuttavia, l’assunzione orale di vaccini mediante frutta o verdura rimane un’alternativa promettente, soprattutto nei Paesi più poveri del globo. A questo proposito, si sta lavorando per introdurre geni per la produzione di vaccini in patata, al fine di combattere la diarrea, una delle principali cause di mortalità infantile. Altra coltura oggetto di studio per gli stessi fini è la banana.
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L’impatto globale del molecular farming
L’attività di produzione di vaccini contro alcuni dei mali più annosi ha dato evidenze su animali e umani contro patologie quali epatite B, C, influenza e papilloma virus. Tuttavia, la scarsa necessità di fonti massive di vaccini, unita al sistema produttivo degli stessi, ovvero all’interno di vegetali trasformati, ha frenato e frena tutt’ora l’effettiva applicazione.
Nel caso di Ebola, che fra il 2014 e il 2016 ha falcidiato l’Africa occidentale, con 30.000 contagi e circa 10.000 morti, grazie alla coltivazione di N. benthamiana è stato prodotto un cocktail di tre anticorpi monoclonali (MABs) testato su primati sani, poi esposti al virus. L’efficacia del cocktail, chiamato ZMapp, unita alla mancanza di alternative nella cura di Ebola ha portato ad un’accelerazione dei trials e a un utilizzo sperimentale su umani, con risultati promettenti.
I vaccini in pianta sono un’alternativa allettante anche per la vaccinazione in ambito zootecnico. In questo frangente, l’utilizzo di vaccini edibili può trovare maggior applicazione, e numerosi studi sono stati compiuti in tal senso, per patologie quali la “bluetongue ” e la peste equina africana.
Che ve ne pare dell’utilizzo di piante come biofabbriche? Affiancato al progresso biomedico, il molecular farming potrà rappresentare una risorsa per le sfide medico-sanitarie attuali e future.
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BGreen Team
Bibliografia
- Donini, M., & Marusic, C. (2019). Current state-of-the-art in plant-based antibody production systems. Biotechnology letters, 41(3), 335-346.
- Rybicki, E. P. (2014). Plant-based vaccines against viruses. Virology journal, 11(1), 205.
- Tsekoa, T. L., Singh, A. A., & Buthelezi, S. G. (2020). Molecular farming for therapies and vaccines in Africa. Current Opinion in Biotechnology, 61, 89-95.