استفاده از توتون به عنوان بیوراکتور ( Bioreactor )

به واسطه تکنیک مهندسی ژنتیک، ترکیباتی با ارزش تجاری که قبلاً فقط از منابع گیاهی وحشی و یا منابع حیوانی و میکروبی تامین می گردند، امروزه در گیاهان اهلی تولید می شوند.گیاهان تراریخت می توانند به عنوان بیوراکتورهای زنده برای تولید ارزان موادشیمیایی و دارویی عمل نمایند که این پدیده به زراعت مولکولی معروف می باشد.

با استفاده از روش زراعت مولکولی می توان کربوهیدراتها، اسیدهای چرب، پلی پپتیدها، واکسن ها، آنزیم های صنعتی و پلاستیک های قابل تجزیه زیستی را در سیستم های گیاهی تولید نمود.

کربوهیدراتها

نشاسته یکی از اجزای سلول های گیاهی است. نشاسته های مهندسی شده با مقدار آمیلوز کاهش یافته یا مقدار نشاسته افزایش یافته در سیب زمینی تائید شده اند. همچنین پیش سازه¬های نشاسته ای نیز مجدداً در جریان مسیرهای بیوسنتزی کربوهیدراتهای ذخیرهای دیگر قرار داده شده اند.

گیاهان توتون و سیب زمینی که توانایی ذخیره فروکتان را نداشتند، برای تجمع فروکتان، با ژن فروکتوزیل ترانسفراز از Bacillus subtilis تراریخت شده اند. تلاش هایی نیز برای تولید ترکیبات جدید از طریق مهندسی ژنتیک صورت گرفته است. گیاهان توتون، با ژن مانیتول- ۱ - فسفات دهیدروژناز (D 1mt ) از E.coli تراریخت شدهاند.

این تراریخت ها مقدار مانیتول بیشتری تولید نموده و به سطوح بالای شوری تحمل نشان داده اند (۱۹۹۳Tarczynski et al.). به طور مشابه، ژن میو اینوزیتول- متیل ترانسفراز از Mesembryanthemum crystallinum (گیاه یخ) به توتون انتقال داده شده است، دراین گیاه موجب تولید پینیتول که یک الکل قندی حلقوی مشتق شده از میواینوزیتول است، در این گیاه شود. ترهالوز، یک افزودنی خوراکی می باشد که کیفیت غذاهای خشک و فراوری شده را با خوشمزه تر نمودن آنها بهبود می بخشد.

شرکت های بیوتکنولوژی گیاهی، موگن (در لیدن هلند) و کالژن (در دیویس ایالات متحده) سنتز مقدار اندکی ترهالوز را در گیاهان توتون تراریخت گزارش نموده اند.

چربیها

افزایش مقدار اسید چرب اشباع نشده تک ظرفیتی در گیاهان به دلیل افزایش کیفیت غذایی روغن ها یک صفت مطلوب می باشد. وقتی که یک ژن دساتوراز از موش صحرایی به توتون منتقل شد، در گیاهان تراریخت مقدار اسید پالمیتولئیک و اسید اولئیک به ترتیب به نسبت ۱:۱6 و ۱:۱8 افزایش یافت.

برای استفاده در ساخت دترژنت ها و همچنین کاربردهای غذایی خاص، ژن تیواستراز از درخت بای کالیفرنیا به آرابیدوپسیس منتقل گردید تا سبب تجمع یک اسید چرب با زنجیره متوسط ۱۲ کربنه به عنوان چربی ذخیره ای در این گیاه شود .

اولین فراورده غیر خوراکی حاصل از مهندسی زیستی گیاهی که در سطح تجاری تولید گردید، یک واریته کلزای مهندسی شده ژنتیکی که برای تولید اسید لوریک، یک اسید چرب ۱۲ کربنه مورد استفاده در ساخت صابون ها و دترژنت ها تغییر داده شد.

بدین منظور محققین فقط به انتقال یک ژن از درخت بای کالیفرنیا نیاز داشتند. این ژن، فرایند سنتز اسید چرب را در مرحله ۱۲ کربنه متوقف نموده و اجازه رشد زنجیره تا مرحله ۱۸ کربنی را که وضعیت عادی برای گیاه است نمی دهد و در عین حال، تاثیر چندانی بر عملکرد ندارد.

پلاستیک قابل تجزیه زیستی

گیاهان تولید کننده پلاستیک تجاری نیز چند سالی بیشتر با ما فاصله ندارند، اگرچه محققان در این زمینه در حال پیشرفت می باشند. پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB) که یک پلی استر آلفاتیک با خصوصیات ترموپلاستیک می باشد، در ابتدا با انتقال ژنهای مرتبط با استواستیل- کوآنزیم A ردوکتاز و PHA سنتاز از باکتری Alcaligenes euthophus به Arabidopsis thaliana در گیاهان تولید شد.

اگرچه گیاهان تراریخت حاصله ناسالم بوده و مقدار کمی PHB تولید نمودند، اما انتقال اولیه ژن، مؤثر واقع شد. این مشکل با اضافه کردن یک توالی به ژن که سبب می شود آنزیم های تولیدی، وزیکول های ذخیره ای یعنی پلاستیدها را مورد هدف قرار دهند، مرتفع گردید. با انجام این کار، هم مقادیر فراوانی از یک ترکیب پیش ساز اصلی برای سنتز PHB در اختیار آنزیم ها قرار می گرفت و هم سلول گیاهی از اثرات مضر احتمالی تجمع PHB در امان می ماند.

در نتیجه، سنتز PHB، بدون اثرا ناخوشایند بارزی بر رشد گیاه یا عملکرد بذر، به میزان ۱۰ برابر افزایش یافت (۱۹۹۵Poirire et al.).

پروتئینها، پپتیدها و واکسنها

امروزه پیشرفت های جدید در بیوتکنولوژی گیاهی این تصورات را در اذهان منعکس می نماید که احتمالاً می توان از گیاهان مهندسی شده ژنتیکی و ویروس های گیاهی برای تولید واکسن بر علیه بیماریهای انسانی، از پوسیدگی دندان گرفته تا عفونتهای تهدید کننده زندگی از قبیل اسهال باکتریایی، وبا و ایدز، استفاده نمود. یکی از اولین موارد برتی تولید پپتیدهای دارویی در گیاهان، از بیان فراوان پروتئین ذخیره ای بذر در حالت طبیعی استفاده نمود. پپتید عصبی انکفالین، به عنوان بخشی از آلبومین s۲ پروتئین ذخیره ای بذر در B.napus تولید می شد .

ناقلین ویروسی برای تولید پروتئین های پوششی شیمری در گیاهان تراریخت مورد استفاده قرار گرفته اند. تورپن و همکاران (۱۹۹۵)، روشی را برای مهندسی پرتئین کپسید ویروس TMV بصورت تلفیق های درونی یا تلفیق در انتهای C، با پپتیدهای حامل اپیتوپ مشتق شده از اسپوروزیت های مالاریا شرح دادند.

هر دو نوع ساختار تلفیق درونی و تلفیق در انتهای C، مقادیر فراوانی از ویروس های نوترکیب با ثبات ژنتیکی تولید نمودند که در توتون آلوده آنتی بادیهای مونوکلونال ضد مالاریایی مناسب تولید کردند. پروتئین زونا پلوسیدا ZP3 با پروتئین کپسیدی ویروس TMV ترکیب شده اند. پروتئین ZP3 اووسیت پستانداران به عنوان هدف برای ایمنی از باروری و یک اپیتوپ ۱۳ اسید آمینه ای از ZP3 موشی، به صورت ترکیب با پروتئین کپسید ویروس TMV در گیاهان بیان شده اند. موش های ایمن شده با ذرات TMV نوترکیب، آنتی بادیهای ضد ZP3 را تولید نمودند.

از نظر تئوری، واکسیناسیون با پروتئین پوششی ویروسی تغییر یافته می تواند به عنوان یک روش کنترل تولید مثل عمل نماید، زیرا آنتی بادیهای زونا پلوسیدا قادر به ممانعت از باروری تخم می باشد. چنین مطلبی نیز برای اپیتوپ های مشتق شده از ویروس های نقص ایمنی انسان که به صورت محصولات تلفیق پروتئین های پوششی ویروس موزائیک یونجه بیان می شوند، صحیح است.

ویروس موزائیک لوبیای چشم بلبلی نیز به عنوان یک سیستم بیان برای تولید پپتیدهای خارجی نظیر اپیتوپ مشتق شده از رینوویروس ۱۴ انسان و ویروس نقص ایمنی انسان (HIV) مهندسی شده است.