L’agriculture moléculaire végétale (PMF) est une technologie moderne et sophistiquée qui utilise la machinerie biosynthétique des plantes pour synthétiser une multitude de protéines recombinantes, notamment des enzymes industrielles et thérapeutiques. Elle présente plusieurs avantages par rapport aux approches traditionnelles, telles que la fermentation microbienne et la culture de cellules de mammifères, notamment des coûts plus faibles, une production à haut rendement et l’absence d’agents pathogènes humains et d’endotoxines. Les plantes offrent également une flexibilité considérable qui permet une production de protéines personnalisée.
Les espèces de tabac comme Nicotiana benthamiana et Nicotiana tabacum sont connues pour avoir une immunité basale compromise et une voie de silençage de l’acide ribonucléique (ARN) moins robuste impliquant la dégradation de l’ARN étranger comme mécanisme de défense. Ceci, associé à son cycle de vie court et à sa grande capacité de production de biomasse, en fait un choix idéal pour une production rapide et efficace de protéines recombinantes.
Cependant, malgré ces nombreux avantages, la production de cette protéine présente certaines limites. Les cellules de tabac nécessitent une ingénierie permettant la localisation subcellulaire spécifique de chaque protéine recombinante.
Bien que de nombreuses études aient exploré la production de protéines recombinantes dans le tabac, une étude approfondie sur les stratégies de localisation subcellulaire était nécessaire. Une revue publiée dans Recherche BioDesign aborde cette question et se concentre sur les stratégies de ciblage permettant de diriger les protéines recombinantes vers quatre compartiments subcellulaires : le réticulum endoplasmique (RE), la vacuole, le chloroplaste et l’apoplaste.
Pour donner plus de contexte, le Dr Shi-Jian Song, chercheur à l’Académie chinoise des sciences agricoles et l’un des auteurs correspondants de cette étude, déclare : « L’optimisation de la localisation subcellulaire des protéines cibles individuelles est cruciale pour la réussite de la synthèse des protéines et leur utilisation dans l’industrie pharmacologique. »
Le RE est reconnu pour la localisation des protéines recombinantes car il abrite des chaperons moléculaires qui facilitent le repliement des protéines et minimisent également les risques de dégradation des protéines. Les protéines dirigées vers le RE subissent une glycosylation homogène, une réaction impliquant l’ajout de glucides, ce qui est essentiel pour de nombreuses protéines thérapeutiques. L’accumulation de protéines recombinantes dans le RE de la plante peut être obtenue en incorporant un peptide signal de ciblage ou de sécrétion spécifique du RE N-terminal ainsi qu’une séquence de rétention C-terminale.
Tout en soulignant les limites de l’étude, le Dr Inhwan Hwang, l’autre auteur correspondant de cette étude, mentionne : « La surcharge du RE pourrait provoquer un stress du RE entraînant dans de tels cas une réduction significative du rendement en protéines. » Cela peut être évité si une gestion prudente est effectuée pendant les niveaux d’expression.
Les résultats de cette étude suggèrent que la localisation du RE est optimale pour les glycoprotéines complexes de grande taille (protéines avec des glucides attachés) qui ont besoin de chaperons pour se replier. Ces glycoprotéines ont un motif de glucides attachés à l’atome d’azote, similaire aux protéines des mammifères.
La vacuole végétale est un autre organite essentiel du tabac, occupant environ 80 à 90 % du volume cellulaire des feuilles de tabac. La technologie PMF utilise cette énorme capacité de stockage pour la localisation des protéines recombinantes. Les signaux de tri vacuolaire, qui peuvent être spécifiques à un emplacement ou à une séquence, sont essentiels pour le ciblage vacuolaire.
Soulignant un aspect intéressant de ces vacuoles, le Dr Hai-Ping Diao explique : « Les protéines peuvent pénétrer dans la vacuole par différentes voies de trafic. La recombinaison est effectuée pour garantir que la protéine est directement transportée du RE à la vacuole, en contournant l’appareil de Golgi. »
Certaines protéines ont également tendance à se dégrader dans la vacuole en raison de la présence d’une enzyme de dégradation appelée protéase. Il est donc préférable de localiser les protéines tolérantes aux environnements acides ou naturellement localisées dans le lysosome humain.
Les chloroplastes des tissus des feuilles de tabac contiennent le plus haut niveau de protéines natives, ce qui en fait un milieu idéal pour accumuler de grandes quantités de protéines recombinantes. Il existe deux stratégies principales pour accumuler de grandes quantités de protéines recombinantes : la transformation des chloroplastes et la transformation nucléaire.
La transformation des chloroplastes permet une expression stable des gènes étrangers, des conditions optimales de repliement des protéines et un risque minimal de transfert environnemental. Cependant, la production de plantes transgéniques à haut rendement par ce procédé est difficile et prend du temps en raison de certains défis techniques.
La transformation nucléaire, en revanche, implique une protéine recombinante fusionnée à un peptide de transit chloroplastique, ce qui permet une production de protéines plus rapide. L’étude indique que la localisation chloroplastique peut fonctionner mieux pour les protéines qui ne nécessitent pas de modifications biochimiques importantes.
L’apoplaste végétal, un espace crucial entre la membrane cellulaire et la paroi cellulaire dans les cellules végétales, est considéré comme un excellent site d’accumulation de protéines recombinantes. L’accumulation de protéines dans l’apoplaste simplifie également la méthode de purification.
Alors que les protéines recombinantes de plus petite taille peuvent être extraites directement du liquide apoplastique, les grands complexes protéiques nécessitent un processus de purification classique. Les protéines recombinantes peuvent également avoir une intégrité structurelle compromise en raison de la présence de protéase dans l’apoplaste. Pour éviter cette complication, la co-expression d’un inhibiteur de protéase est de plus en plus utilisée comme stratégie émergente.
La PMF a le potentiel de révolutionner la production de protéines recombinantes. Cependant, des niveaux de production adaptables, des qualités comparables et des problèmes de coût subsistent. Le Dr Shi-Jian Song explique : « Pour normaliser l’utilisation de plantes transgéniques dans la recherche industrielle, il est important de respecter strictement les protocoles, d’améliorer l’engagement du public et de suivre des protocoles de sécurité rigoureux. »
La refonte du châssis de la plante de tabac, y compris le traitement à faible efficacité des protéases, l’allocation efficace des ressources et la mise en place d’un réacteur végétal sans toxines peuvent contribuer à de nouvelles avancées. La commercialisation éventuelle de la biofabrication est un signe crucial du développement de la PMF.
Plus d’informations :
Shi-Jian Song et al., Progrès dans la conception de l’accumulation subcellulaire pour la production de protéines recombinantes dans le tabac, Recherche BioDesign (2024). DOI: 10.34133/bdr.0047