به تولید پروتئین‌های با ارزش از نظر تجاری و همچنین دارای خاصیت دارویی در گیاه زراعت مولکولی  گفته می شود . هدف ازکشاورزی مولکولی تولید مقادیر انبوه یک پروتئین دارویی فعال و مطمئن با قیمت پائین می باشد .

مشخص گردیده است که پروتئین‌های پیچیده جانوری در گیاهان به خوبی تولید می‌شوند و گیاهان سیستم بیانی بسیار مناسبی برای تولید پروتئین‌های دارویی در مقادیر انبوه می باشند، چراکه پروتئین‌های تولید شده دارای ساختار و عملکرد تقریباً غیر قابل تمایز از انواع حیوانی‌شان هستند .

این پروتئین‌های دارویی تولید شده در گیاهان شامل گستره وسیعی از اینترلوکین‌ها تا آنتی‌بادی‌های نو ترکیب، را شامل می‌شوند . زراعت مولکولی توانایی ارائه مقادیر انبوه و نامحدود پروتئین نو ترکیب را  برای استفاده در اهداف تشخیصی ودرمانی در بیولوژی و پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی دارد و یک راه حل کارا و مناسب در درمان بیماریها می باشد.

تولید مولکول‌های دارویی در مقیاس بالا موجب کشف روش‌های درمانی جدیدتر و همچنین تست‌های تشخیصی مطمئن تری شده است که به طور گسترده‌ای برای تشخیص و درمان بیماریهای انسانی به کار می‌روند. در این میان گیاهانی که توانایی تولید مقادیر انبوهی از بافت سبز را دارند همواره بیش از سایر گیاهان مورد توجه محققین این رشته بوده اند چرا که به کمک آنها می توان مقادیر بیشتری از پروتئین نوترکیب را تولید نمود.

بسیاری از گیاهان دارای اندامهای ذخیره سازی مانند دانه و یا غده می باشند که از این ویژگیمی توان جهت ذخیره طولانی مدت پروتئین ها و سایر محصولات بهره برد بطور مثال می توان به امکان نگهداری پروتئین در غده سیب زمینی برای مدت ۵ ماه در دمای اتاق و بدون کاهش قابل توجه پروتئین نوترکیب درون آن اشاره نمود. از میان تمام برتری های سیستم‌های بیانی گیاهی در مقایسه با سایر سیستم ها مهمترین آنها هزینه بسیار کم آنها در مقایسه با سایر سیستم‌های بیانی مثل سیستم میکروبی و کشت سلول جانوری است به عنوان مثال اگر گیاه تراریخت ما دارای تولید مناسبی مثلا ۱۰ کیلوگرم پروتئین نوترکیب در هر اکر باشد، هزینه تولید ما ۹۰% کمتر از سایر سیستمهای بیانی موجود دارد  و به علاوه خطرات کمتری هم دارد.

باکتریها یک سیستم بیانی هستند که در اغلب موارد برای تولید پروتئین نوترکیب از آنها استفاده می‌شده است که عمده ترین دلیل آن، تولید ارزان، ساده گی و سهولت انجام آزمایشات روی آنها  بوده است، اما با حضور گیاهان در این عرصه سیستم‌های گیاهی در مرکز توجه محققین قرار گرفته اند. در سیستم بیانی گیاهان مولکول‌های کاملاً عملکردی  با تاخوردگی‌های مناسبی تولید می‌شوند که خصوصیاتی مشابه پروتئین منشأ را دارند.

سلول‌های گیاهی، تغییرات بعد ازترجمه ای که برای فعالیت زیستی پروتئین لازم اند  را انجام می‌دهند، به عنوان مثال آنتی بادی‌های نوترکیب تولید شده در توتون همان حساسیت، اختصاصی بودن و از همه مهمتر همان میل‌  اتصالی موجود در آنتی بادی مونوکلونال تولید شده در سلول هیبریدوما را دارند.

استفاده از گیاهان تراریخت به عنوان بیوراکتورهای مهم در زراعت مولکولی جهت تولید پروتئین‌های دارویی از جمله واکسن‌ها و عوامل تشخیصی مثل آنتی بادی‌های نوترکیب، پروتئین‌های پلاسما، سیتوکاین‌ها و فاکتورهای رشد، پدیده ای‌  در خور توجه است چرا که مقدار پروتئین نوترکیب تولید شده در یک گیاه تنباکو بیشتر از میزان تولید شده آن توسط Escherichia coli در یک فرمانتور ۳۰۰ لیتری می باشد.

اولین کاربرد پزشکی گیاهان به تمدن های اولیه ماقبل تاریخ برمی‌گردد. حدود ۱۶۰۰ سال قبل از میلاد , مصری‌ها حدود ۷۰۰ گیاه دارویی را می شناختند. اجزا و عناصر فعال در بسیاری از این گیاهان اکنون شناسایی شده‌اند وارزش دارویی آنها کشف شده است.

حدود یک چهارم داروهایی که امروزه تجویز و مصرف می‌شوند منشأ گیاهی دارند. زیست فن آوری نیز به طرف استفاده از گیاهان برای مصارف پزشکی البته در جهتی متفاوت روی آورده است از آن رو گیاهان امروزه به عنوان منبع تولید آنتی بادی‌های جانوری و واکسن‌ها به کار می‌روند و با این توصیف پیش بینی می‌شود که زراعت مولکولی یکی از مهم ترین زمینه های رشد اقتصادی در زیست فن آوری کشاورزی می باشد.

یکی دیگر از موارد بسیار موثر در زراعت مولکولی امکان افزایش و یا کاهش سریع مقیاس تولید می باشد . از آنجاییکه زراعت مولکولی برای تولید محصولات از زیرساخت های موجود در کشاورزی استفاده می کند و مواد اولیه آن بذر تراریخت می باشد که کاشت آن مانند بذور معمولی می باشد و بر خلاف روش های مرسوم نیازی به تخصص بالا ندارد.

از دیگر موارد قابل ذکر تولید سموم می باشد. بعضی از مواد هستند که اگر چنانچه در سیستم های بیانی تولید شود اثرات کشندگی روی باکتریها دارند و جزء سموم به حساب می آیند مانند بسیاری از داروهای مورد استفاده در شیمی درمانی سرطان ها، اینگونه مواد را می توان در گیاهان تولید کرد و تنها کاری که باید انجام داد این است که پروتئین مشکل ساز را به سمت واکوئل هدایت نمود.

تغییرات پس از ترجمه از جمله موارد موثر در عملکرد و طول عمر پروتئین نوترکیب می باشد. این تغییرات هرچند قدری متفاوت ولی به هرحال در گیاهان انجام می شود و در باکتریها کلا وجود ندارد.

بالاخره اخرین موردی که دراینجا ذکر می شود عدم نیاز به بهینه نمودن کدونهای انسانی برای تولید در گیاهان می باشد که این مورد در بسیاری از موارد در باکتریها اشکال ایجاد می کند.

پیشرفت‌های بشر در بیان پروتئین در سیستم های گیاهی،  زراعت مولکولی را یک روش بسیار کاراتر نسبت به سایر سیستم‌های بیانی ساخته است.به علاوه بالا رفتن تقاضا برای پروتئین های  نوترکیب دارویی و همچنین پیچیدگی پروتئین‌های دارویی جدید زراعت مولکولی در گیاهان را روشی حائز اهمیت و اجتناب ناپذیر برای تولید مولکول‌های دارویی در ۱۰ سال آینده خواهد ساخت  و بر طبق نظر دانشمندان این شاخه، این تکنولوژی نقش بسیار عمده‌ای در بهداشت و سلامتی بشر در آینده دارد.

تاریخچه

یکی از قدیمی ترین مثالهای زراعت مولکولی مثالی کلاسیک از سیستم های بیانی نوترکیب،  بیان انسولین نوترکیب درسیتم بیانی باکتری است. دانشمندان اولین بار در سال ۱۹۲۱ متوجه شدند که انسولین دارای خاصیت دارویی در مقابل بیماری دیابت دارد. تعیین توالی کامل اسید آمینه‌ای در آن تا سال ۱۹۵۱ انجام نشد. از آنجایی که منبع طبیعی این ترکیب، هورمون پانکراس حیوانات بود، پیدا کردن یک منبع جایگزین برای تولید انسولین مطمئن و ارزان و بدون هرگونه آلودگی ایمونوژنیک لازم بنظر می‌رسید.

انسولین انسانی را به راحتی می‌توان در باکتری ها بیان کرد،  زیرا پلی پپتید کوچکی است و با حداقل تغییرات پس از ترجمه به حالت عملکردی خود در می‌آید. بیان انسولین در باکتری در سال ۱۹۸۲ به طور موفقیت آمیزی انجام شد. این اولین پروتئین نوترکیب بود که جهت اهداف درمانی تولید و ساخته شد و در واقع بدون هیچ محدودیتی در مقدار انسولین در دسترس، یک هورمون نوترکیب انسانی فعال و مطمئن با قیمت پایین تولید شد .

در اواخر دهه ۸۰ میلادی تکنولوژی زراعت مولکولی پایه گذاری شد، و به ترتیب اولین بیان موفق پروتئین های هورمون رشد انسانی ، اینترفرون و سرم آلبومین انسانی و نیز بیان موفق آنتی بادی‌های مونوکلونال در گیاه در سال ۱۹۸۹ گزارش شدند [. مطالعات گسترده‌ای که در این دهه صورت گرفت نشان داد که گیاهان، توانایی تولید پروتئین‌های پیچیده جانوری که از نظر پزشکی و دارویی مهم‌اند را دارا می باشند در آن سیستم امکان تولید آنتی بادی هایی با طول کامل و به صورت عملکردی وجود دارد که این نشان می‌دهد که تمام تغییرات پس از ترجمه مورد نیاز برای فعالیت آنتی بادی انجام می شود و این مورد در بیان آنتی بادی با طول کامل در Escherichia coli وجود ندارد.

از ان موقع تا امروز انواع مختلفی از پروتئین های نوترکیب در گیاهان گوناگون تولید شده اند که به عنوان مثال می توان، آنزیم های صنعتی ، هورمون ها ، اینترلوکین ها، آنتی بادی های نوترکیب ، پروتئین های پلاسمائی ، واکسن های خوراکی ، پروتئین های که در پژوهش ها بکار گرفته می شوند و پلیمرهای پروتئینی جدید  با کاربردهای پزشکی و صنعتی.

چرا گیاه؟

سیستم بیانی باکتریها تا قبل از ظهور سیستم بیانی گیاهی به عنوان مهمترین سیستم بیانی به کار می رفت. همانطورکه ذکر شد با وجود اینکه باکتری‌ها یک سیستم تولیدی ارزان و مناسبی هستند، اما ضعف بسیار بزرگی دارند. سیستم بیانی پروکاریوتی قادر به ایجاد اغلب تغییرات پس از ترجمه ای مورد نیاز که برای فعالیت بسیاری از پروتئین‌های پستانداران لازم است، نمی باشند. این محدودیت بزرگ در سیستم های باکتریایی و نیز قیمت بالای بیان پروتئین‌ها درکشت سلول جانوری سبب شده که از گیاهان به عنوان یک سیستم تولیدی جایگزین، مطمئن و ارزان استفاده شود .

مهمترین دلایلی که گیاهان به عنوان یک سیستم بیانی مناسب انتخاب شدند، پیشرفت در تکنولوژی DNA نوترکیب، تکنولوژی انتقال ژن گیاه و مهندسی آنتی بادی بود. آزمایشات نشان دادند که گیاهان قادر به بیان پروتئین‌های عملکردی پستانداران می باشند بطوریکه اکنون این امکان فراهم شده که آنتی بادی‌های کایمریک موشی ـ انسانی با قدرت درمانی و مقادیر کافی جهت اهداف پیش کلینیکی در گیاه تولید شود.

 گیاهان تراریخت نسبت به سایر سیستم‌های بیانی میکروبی و جانوری مزایای عمده‌ای برای تولید بیومولکول‌های دارویی دارند، چراکه گیاهان می‌توانند در یک زمین کشاورزی کشت شوند و به میزان زیاد تکثیر یابند و در واقع از یکی از قدیمی ترین تکنولوژیهای ابداعی بشر یعنی کشاورزی بهره بگیرند، ماکرو مولکول نوترکیب مورد نظر از این محصولات برداشت می گردد و احتیاجات صنعتی بشر را برآورده می سازند و همانطور که در مقدمه آمد گیاهان دارای مسیرهای بیوسنتزی پروتئین مربوط به یوکاریوت‌های عالی می‌باشند، که این مسیرها بسیار شبیه به مسیرهای موجود در سلول‌های حیوانی است.

فقط تفاوت‌های اندکی در اتصال گروههای قندی- پروتئینی وجود دارد و این در حالی است که باکتریها نمی‌توانند آنتی بادی هایی با طول کامل که برای فعالیت به تغییرات پس از ترجمه نیاز دارند، تولید نمایند و از طرفی این امکان وجود دارد که پروتئین‌های فعال تولید شده در گیاهان درسطح بالایی بیان و ذخیره شوند.

بارها ثابت شده است که آنتی بادی های مشتق از گیاه از نظر عملکرد و ظرفیت شبیه آنتی بادی های تولید شده در هیبریدوما هستند . مزیت دیگر گیاه این است که با بیان پروتئین در گیاه، از آلودگی آنها با پاتوژن‌های انسانی یا حیوانی ( HIV ، هپاتیت و … ) و تخلیص همزمان پاتوژن‌ها با منشأ خونی و توالی ‌های آنکوژنی به همراه پروتئین مورد نظر جلوگیری می‌شود.

محمود لرانی