To już ostatnie dni lata, drzewa i krzewy powoli zaczynają zmieniać kolory, owoce i warzywa stały się dorodne i dojrzałe, w powietrzu czuć zbliżającą się jesień. Wyobraź sobie, że właśnie wgryzasz się w soczystą pomarańczę… jej orzeźwiający sok rozpływa się w ustach i… gratulacje właśnie przyjąłeś szczepionkę na najnowszego wirusa. Brzmi jak scenariusz do kolejnego filmu science fiction? Czy już wkrótce leki będą podawane w owocach i warzywach? Czym jest i w jakim kierunku zmierza rolnictwo molekularne?  

Rolnictwo molekularne to program biotechnologiczny, który obejmuje modyfikację genetyczną produktów rolnych do produkcji białek i chemikaliów w celach komercyjnych i farmaceutycznych. Jego głównym celem jest to, aby rośliny w jak najlepszy sposób syntetyzowały leki i szczepionki. Obecnie korzystając z inżynierii genetycznej i biologii syntetycznej, naukowcy potrafią wprowadzić zupełnie nowe szlaki biochemiczne do komórek roślinnych – a nawet do całych roślin, jest to szereg następujących po sobie reakcji biochemicznych, w których to produkt jednej reakcji jest substratem kolejnej. Wszystko po to, aby przekształcić je w bioreaktory jednorazowego użytku.  

Termin rolnictwo molekularne został wymyślony w 1986 roku, ale dopiero po upływie trzech dekad  FDA (z ang. Food and Drug Administration) zatwierdziło pierwsze białko terapeutyczne pochodzenia roślinnego, które jest pomocne do leczenia choroby Gauchera – rzadkiego zaburzenia genetycznego, które uniemożliwia właściwe rozkładanie się tłuszczów w organizmie ludzkim. 

Doktorzy Hugues Fausther-Bovendo i Gary Kobinger z Laval University w Kanadzie i Galveston National Laboratory w Teksasie zgodnie stwierdzili, że rośliny od dawna są pomijanym zasobem w bioprodukcji. Dlaczego ta dziedzina ma potencjał? Ponieważ rośliny są względnie tanie w uprawie oraz odporne na powszechne formy skażenia, które towarzyszą innym procesom produkcji leków, a jednocześnie są przyjazne dla środowiska. Do przechowywania powstałych w ten sposób białek nie są potrzebne ani ultra-zimne zamrażalki, ani bardzo sterylne warunki. Łatwo można je przechowywać na przykład w nasionach. Innym z benefitów jest szybkość produkcji. Kanadyjska firma Medicago w ciągu zaledwie trzech tygodni wyprodukowała potencjalną szczepionkę przeciw Covid-19 – naśladującą zewnętrzną warstwę wirusa i wywołującą odpowiedź immunologiczną w organizmie. Szczepionka jest obecnie w końcowej fazie badań klinicznych.   

Czy chciałbyś żyć w świecie w którym zamiast zastrzyków insuliny osoby z cukrzycą mogą po prostu zjeść pomidora, a zamiast szczepić się na grypę, mógłbyś wziąć kęs kukurydzy? Rozwój rolnictwa molekularnego zachęcił DARPA (a ang. Defense Advanced Research Projects Agency) do sfinansowania trzech ogromnych obiektów w celu optymalizacji szczepionek wytwarzanych przez rośliny. Autorzy tego projektu stwierdzili, że „rolnictwo molekularne może mieć znaczący wpływ na zdrowie ludzi i zwierząt w przyszłości”. A co jeśli kiedykolwiek osiedlimy się na Marsie? Rośliny będą znacznie łatwiejsze w uprawie niż zbudowanie całej infrastruktury farmaceutycznej.   

Dodatkowym plusem jest fakt, że posiadamy tysiące lat doświadczenia w dziedzinie rolnictwa, dlatego stosunkowo łatwo jest nam określić najlepszy sposób uprawy liści tytoniu wytwarzających przeciwciała, ziemniaków zawierających antytoksyny lub soi do produkcji szczepionek przeciw wirusom. Aby je wyhodować nie jest potrzebny specjalistyczny sprzęt, wystarczy, że posadzisz roślinę, zadbasz o jej nawodnienie oraz odpowiednią uprawę, a resztą zajmie się natura. Cały proces jest ekonomiczny i zrównoważony. 

Inna alternatywa?  

Weźmy na przykład zwykłe drożdże – ulubiony obiekt badań naukowców inżynierii genetycznej oraz najlepsi przyjaciele piwowarów. W jednym z ostatnich badań zespół z Uniwersytetu Stanford dokonał 34 modyfikacji DNA drożdży, aby chemicznie złożyć cząsteczkę, która będzie w stanie oddziaływać na ludzkie mięśnie, gruczoły i tkankę. Innymi bioreaktorami do syntezy leków, przeciwciał i szczepionek są na przykład komórki owadów czy jaja. Szczepionka przeciw grypie jest hodowana w jajach kurzych, co wspomaga wzrost osłabionej wersji wirusa. Chociaż wykorzystanie komórek drożdży lub ssaków do bioprodukcji jest dziś normą, to jest dość kosztowne rozwiązanie. Poza tym zabiegi te są stale zagrożone patogenami odzwierzęcymi — niebezpiecznymi, chorobotwórczymi robakami, które mogą zmarnować cały zbiornik preparatu.  

Obecnie możemy zaobserwować boom na narzędzia do edycji genów, dlatego rolnictwo molekularne jest na fali. Cały ten proces jest podobny do upraw genetycznie modyfikowanych (GM). Rozpoczyna się od wprowadzenia do komórki lub do całej rośliny wektora, który zawiera kod genetyczny umożliwiający wytworzenie białka lub szczepionki. W zależności od typu wektora, nowe DNA może połączyć się z własnym genomem rośliny w coś, co nazywa się „stabilną ekspresją”  lub może unosić się na powierzchni komórek na tyle długo, aby roślina mogła wytworzyć własne ścieżki tworzenia białek, co nazywane jest „przejściową ekspresją”. Autorzy badań twierdzą, że możliwe jest wyhodowanie szczepionek i białek terapeutycznych w ciągu zaledwie kilku tygodni. Szczepionki produkowane przez rośliny i przeciwciała monoklonalne – na przykład te stosowane w leczeniu ciężkich przypadków COVID19 – są znacznie silniejsze niż podobne cząsteczki wytwarzane w jajach kurzych lub drożdżach. Większość szczepionek w dzisiejszych czasach wymaga dodatkowej stymulacji odpowiedzi immunologicznej. Natomiast uzyskana w roślinach szczepionka zawiera grupę roślinnych biochemikaliów, które czynią preparaty szczepionek znacznie prostszymi i przystępniejszymi. Na uwagę zasługuje fakt, że stworzone do tej pory przeciwciała monoklonalne wytwarzane przez rośliny przeciwko wirusowi HIV i Ebola wykazywały bardzo niewiele skutków ubocznych, z których najczęstszymi była tylko niewielka gorączka. Czy jest to przełom w dziedzinie nauki? Niestety, ale podczas pierwszych kilku lat testów okazało się, że odsetek osób zaszczepionych, które wygenerowały odpowiedź immunologiczną był znacznie niższy, niż tych w  badaniach klinicznych z zastosowaniem standardowych szczepionek. Obecnie wraz z rozwojem CRISPR (ang. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) i innych narzędzi do edycji genów „jadalne szczepionki roślinne generują silne odpowiedzi immunologiczne”. Podczas ostatnich testów użyto jadalnych szczepionek roślinnych pochodzących z ryżu, zbóż oraz kukurydzy. Chociaż obecnie dziedzina ta jest w fazie rozwoju przedklinicznego. To naukowcy obawiają się, że generalna niechęć oraz nieufność ludzi do GMO może się utrzymać.  

Rolnictwo molekularne może być doskonałą alternatywą dla tradycyjnej formy wytwarzania leków i szczepionek, minimalizując jednocześnie wpływ na środowisko oraz klimat. Wykorzystywanie roślin jako biofabryk zastępczych zaczęło się od prostego obliczenia: są tanie i łatwe w uprawie. Rośliny potrzebują tylko trzech rzeczy: światła, wody i gleby. Ewentualnie można jeszcze dodać nawóz. W razie potrzeby szklarnie są nadal znacznie bardziej ekonomiczne niż bioreaktory ze stali nierdzewnej. Istnieje jednak wiele niewiadomych oraz pytań. Jak daleko posunie się ta dziedzina? Czy jest to bezpieczne? Na pewno w przyszłości trzeba będzie stworzyć wiele nowych procedur i zasad dotyczących zrównoważonych upraw. Jednak obecne analizy oraz testy są bardzo obiecujące.