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Ana Mª López Lasheras
Ingeniería Agroalimentaria
INTRODUCCIÓN
Las células de las plantas constituyen por medio de la ingeniería genética unas
“biofábricas o biorreactores” ideales para producir productos biofarmacéuticos y poder
administrarlos oralmente, eliminando la necesidad de fermentaciones caras,
purificaciones, almacenamiento en frío, transporte y entrega estéril.
Estos productos biofarmacéuticos hacen referencia a los productos terapéuticos y
vacunas producidos por plantas con aplicaciones clínicas o veterinarias producidas en
vegetales recombinantes.
La mayoría de las vacunas han sido desarrolladas hace dos décadas y no han avanzado
de la fase I.
Existen diversos sistemas de expresión en plantas con sus ventajas e inconvenientes
pero los productos obtenidos por estos medios son más baratos de producir, más fáciles
de almacenar (semillas), se pueden conseguir en grandes cantidades, la vacunación
podría llegar a toda la población y sería más higiénica al no necesitar el uso de
jeringuillas que muchas veces son compartidas debido a la pobreza de algunos países.
DESARROLLO DE CONTENIDOS
El sistema de producción ideal de determinadas sustancias utilizando biorreactores es el
que produce mayor cantidad con mayor seguridad y actividad biológica y, todo ello, al
menor coste.
Sistemas de producción como:
- El uso de células de mamíferos modificados con técnicas de ADN recombinante
produce compuestos idénticos a los naturales pero cultivar estas células es muy
caro y su producción es limitada o,
- El uso de microorganismos permite producción a escala mayor pero origina
productos que no son iguales a los de origen natural.
Dos de los descubrimientos que permitieron el desarrollo de la biotecnología de plantas
fueron:
- La capacidad que tiene una sola de sus células de originar una planta completa
con todas las características parentales,
- La posibilidad de transferir un solo gen al genoma de una planta mediante la
infección bacteriana del Agrobacterium tumefaciens. Este es uno de los
principales métodos de transferencia de genes a plantas: A. tumefaciens porta al
plásmido Ti con el gen de interés, de manera que al momento de infectar a las
células vegetales transfiere el gen al genoma de la planta y, cada célula de la
nueva planta contendrá una copia del gen insertado.
La producción de proteínas recombinantes en plantas tiene muchas ventajas:
a. Los sistemas vegetales son más económicos.
b. Se dispone de la tecnología para cosechar y procesar plantas y sus productos.
c. El requisito de la purificación del compuesto puede ser eliminado cuando el
tejido de la planta, que contiene la proteína recombinante, se utiliza como
alimento (vacunas comestibles).
d. Las proteínas recombinantes se pueden dirigir hacia determinados
compartimentos celulares, o expresarlos directamente, como es el caso de los
cloroplastos.
e. La proteína recombinante producida en plantas se puede obtener a escala
industrial.
f. Los riesgos para la salud son mínimos.
g. Las vacunas producidas en plantas permiten la introducción de modificaciones
post-traduccionales.
Las proteínas terapéuticas se han expresado en cloroplastos, a través del genoma
nuclear (retículo endoplasmático, aparato de Golgi).
Los niveles de expresión varían en función de la etapa de desarrollo de las hojas, de la
hora del día, el momento de la cosecha y las secuencias reguladoras utilizadas. Por
tanto, las hojas cosechadas deben ser homogeneizadas y se debe determinar el nivel de
proteína para cada lote cosechado.
Para aumentar los niveles de expresión se han utilizado diferentes estrategias.
- Utilizando diversas señales de regulación de la expresión genética.
- Optimizar el uso de codones.
- A través de cruces de líneas transformadas con líneas establecidas y bien
caracterizadas.
- Mediante la fusión de péptidos antigénicos a la proteína B-glucoronidasa (GUS),
con lo cual la expresión que normalmente era de 0,01% a 0,2% puede aumentar
hasta 3% del total de la proteína soluble.
- Empleando la transformación de las plantas mediante los cloroplastos .
Esta tecnología está teniendo un impacto importante en la producción de vacunas
comestibles y en la producción de anticuerpos.
Vacunas comestibles
Se ha demostrado que determinadas proteínas inmunogénicas se pueden sintetizar en
plantas y después usar el tejido vegetal como inmunógenes obteniéndose resultados
positivos tanto cuando son administrados por inyección como por vía oral en animales
de laboratorio e incluso en humanos voluntarios. Esto es posible con diversas proteínas
bacterianas o virales. Una preocupación importante respecto a las vacunas orales es la
degradación de los antígenos en el estómago e intestino antes de que puedan inducir una
respuesta inmune. Para protegerlos de esta degradación se han desarrollado varios
métodos como la bioencapsulación, el uso de cepas recombinantes y la utilización de
plantas transgénicas.
Producción de anticuerpos en plantas transgénicas
Las plantas tienen un gran potencial como fuente ilimitada de anticuerpos monoclonales
baratos, llamados “planticuerpos” para terapia humana y animal. La mayoría de
anticuerpos expresados se han manifestado en la planta del tabaco, Nicotiana tabaccum,
que además resulta ser bastante rentable porque se usan sus hojas, posee facilidad para
la manipulación genética y produce gran número de semillas.
Ejemplos de anticuerpos producidos en plantas: contra el virus del herpes, contra el
Streptocococcus mutans, agente que provoca la caries dental,…
Sistemas de producción de anticuerpos y proteínas biofarmacéuticas en plantas
transgénicas
1. Transgenes nucleares
Los primeros trabajos se realizaron usando la transformación estable del genoma
nuclear del tabaco. La metodología de “transgen nuclear” iniciada por la entrega
mediada por ADN de Agrobacterium es fácil y permite la transformación estable
del genoma nuclear.
Ventajas: - permite aumentar la producción de grandes cantidades de antígenos
de las reservas de semillas transgénicas,
- la expresión puede tener lugar en frutas y otros órganos comestibles
de las plantas.
Inconvenientes: produce niveles bajos de expresión.
Así se han obtenido antígenos contra el cólera, la hepatitis B,…
2. Expresión transitoria con vectores virales
Un virus ARN que se replica en el citoplasma actúa como un constructor de
ADN que se transcribe en el núcleo para producir ARN viral.
Esta tecnología magnICON se ha utilizado para expresar el antígeno de la
hepatitis B, el del virus de Norwalk, NVCP,….
Este sistema permite la expresión rápida de proteínas recombinantes a niveles
más altos que con los transgenes nucleares.
3. Proteínas farmacéuticas recombinantes
Son útiles para el tratamiento de enfermedades genéticas que ocasionan una
producción insuficiente o de baja calidad de una determinada proteína.
Los niveles de expresión son generalmente bajos.
In vitro sí que se ha demostrado actividad pero no se han publicado aún ensayos
en animales.
Las células de las plantas pueden sintetizar y procesar las proteínas de los
mamíferos pero en algunos casos la glicosilación específica de la planta podría
producir inmunogenicidad no deseada de la proteína recombinante y disminuir
su vida media y utilidad.
4. Vacunas antígenas y terapéuticas derivadas del cloroplasto
En la tecnología del cloroplasto, genes extraños se integran en el genoma del
cloroplasto mediante recombinación homóloga eliminando variantes de
expresión entre líneas transgénicas independientes.
La expresión cloroplasto minimiza el riesgo de transferencia de gen extraño a
través del polen de los cultivos modificados genéticamente a otros cultivos. La
expresión proteínas terapéuticas en las hojas facilita su cosecha antes del
desarrollo de las estructuras reproductivas.
El sistema de expresión de cloroplastos se ha utilizado para producir antígenos
contra:
1. Patógenos bacterianos (cólera, tétanos, Escherichia coli,…)
2. Virales (canine parvovirus, hepatitis E virus, virus del papiloma humano,
virus de la fiebre porcina clásica,…)
3. Protozoarios (malaria, Amoebiasis,…)
4. Proteínas difíciles de expresar en otros sistemas como las proteínas
antimicrobianas, somatotropina humana, albúmina del suero humano,
interferón alpha 2b, insuline-like growth factor,…)
Varios de estos antígenos se expresaron inicialmente sólo en la planta del tabaco
que no es comestible por poseer nicotina y crear adicción. Estudios posteriores con
lechuga (lettuce) han demostrado que los cloroplastos de lechuga tiene un nivel de
expresión similar a los del tabaco y su regeneración también es rápida posibilitándose
así la administración oral.
Se ha demostrado que las proteínas terapéuticas derivadas del cloroplasto y
administrados oralmente están protegidas de la degradación en el estómago debido
posiblemente a la bio-encapsulación del antígeno por la pared celular vegetal.
CONCLUSIONES
La presentación de vacunas y productos biofarmacéuticos derivados de plantas es
posible y tiene la ventaja de no necesitar sistemas de fermentación y purificación
costosos ni de almacenamiento en frío, transporte o entrega estéril.
Antes de cualquier aplicación en gran escala, los compuestos biológicos derivados de
plantas deberán cumplir con los mismos estándares de seguridad y funcionamiento que
son requeridos en otros sistemas de producción. Si los compuestos biológicos derivados
de plantas pueden persistir en el ambiente deben tomarse las medidas oportunas, tales
como, el sistema derivado de cloroplastos que permite cosechar las hojas antes del
desarrollo de las estructuras reproductivas evitándose la dispersión del polen
transgénico a hierbas o cultivos cercanos. Actualmente se están investigando varios
métodos para contener los transgenes, incluyendo la apomixis, genomas incompatibles,
genes suicidas, las barreras de infertilidad, esterilidad masculina y herencia materna.
De los diversos sistemas de expresión el más ventajoso es el derivado de cloroplastos,
ya que, éstos posibilitan la expresión de antígenos contras patógenos bacterianos,
virales, protozoarios y ciertas proteínas antimicrobianas además de lo citado
anteriormente.
Es cierto que esta tecnología tiene un enorme potencial para producir compuestos de
interés farmacéutico y vacunas en condiciones controladas pero, aunque existen
importantes avances la escasa financiación y la falta de interés comercial ha provocado
una desaceleración en la investigación sobre la producción y administración a gran
escala de vacunas comestibles.
BIBLIOGRAFIA
Elizabeth Loza Rubio, Miguel Ángel Gómez. Producción de vacunas y otros
compuestos biológicos en plantas transgénicas.
NIH-PA Author Manuscript. Plant-made vaccine antigens and biopharmaceuticals.

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  • 1. Ana Mª López Lasheras Ingeniería Agroalimentaria
  • 2. INTRODUCCIÓN Las células de las plantas constituyen por medio de la ingeniería genética unas “biofábricas o biorreactores” ideales para producir productos biofarmacéuticos y poder administrarlos oralmente, eliminando la necesidad de fermentaciones caras, purificaciones, almacenamiento en frío, transporte y entrega estéril. Estos productos biofarmacéuticos hacen referencia a los productos terapéuticos y vacunas producidos por plantas con aplicaciones clínicas o veterinarias producidas en vegetales recombinantes. La mayoría de las vacunas han sido desarrolladas hace dos décadas y no han avanzado de la fase I. Existen diversos sistemas de expresión en plantas con sus ventajas e inconvenientes pero los productos obtenidos por estos medios son más baratos de producir, más fáciles de almacenar (semillas), se pueden conseguir en grandes cantidades, la vacunación podría llegar a toda la población y sería más higiénica al no necesitar el uso de jeringuillas que muchas veces son compartidas debido a la pobreza de algunos países. DESARROLLO DE CONTENIDOS El sistema de producción ideal de determinadas sustancias utilizando biorreactores es el que produce mayor cantidad con mayor seguridad y actividad biológica y, todo ello, al menor coste. Sistemas de producción como: - El uso de células de mamíferos modificados con técnicas de ADN recombinante produce compuestos idénticos a los naturales pero cultivar estas células es muy caro y su producción es limitada o, - El uso de microorganismos permite producción a escala mayor pero origina productos que no son iguales a los de origen natural. Dos de los descubrimientos que permitieron el desarrollo de la biotecnología de plantas fueron: - La capacidad que tiene una sola de sus células de originar una planta completa con todas las características parentales, - La posibilidad de transferir un solo gen al genoma de una planta mediante la infección bacteriana del Agrobacterium tumefaciens. Este es uno de los principales métodos de transferencia de genes a plantas: A. tumefaciens porta al plásmido Ti con el gen de interés, de manera que al momento de infectar a las
  • 3. células vegetales transfiere el gen al genoma de la planta y, cada célula de la nueva planta contendrá una copia del gen insertado. La producción de proteínas recombinantes en plantas tiene muchas ventajas: a. Los sistemas vegetales son más económicos. b. Se dispone de la tecnología para cosechar y procesar plantas y sus productos. c. El requisito de la purificación del compuesto puede ser eliminado cuando el tejido de la planta, que contiene la proteína recombinante, se utiliza como alimento (vacunas comestibles). d. Las proteínas recombinantes se pueden dirigir hacia determinados compartimentos celulares, o expresarlos directamente, como es el caso de los cloroplastos. e. La proteína recombinante producida en plantas se puede obtener a escala industrial. f. Los riesgos para la salud son mínimos. g. Las vacunas producidas en plantas permiten la introducción de modificaciones post-traduccionales. Las proteínas terapéuticas se han expresado en cloroplastos, a través del genoma nuclear (retículo endoplasmático, aparato de Golgi). Los niveles de expresión varían en función de la etapa de desarrollo de las hojas, de la hora del día, el momento de la cosecha y las secuencias reguladoras utilizadas. Por tanto, las hojas cosechadas deben ser homogeneizadas y se debe determinar el nivel de proteína para cada lote cosechado. Para aumentar los niveles de expresión se han utilizado diferentes estrategias. - Utilizando diversas señales de regulación de la expresión genética. - Optimizar el uso de codones. - A través de cruces de líneas transformadas con líneas establecidas y bien caracterizadas. - Mediante la fusión de péptidos antigénicos a la proteína B-glucoronidasa (GUS), con lo cual la expresión que normalmente era de 0,01% a 0,2% puede aumentar hasta 3% del total de la proteína soluble. - Empleando la transformación de las plantas mediante los cloroplastos . Esta tecnología está teniendo un impacto importante en la producción de vacunas comestibles y en la producción de anticuerpos.
  • 4. Vacunas comestibles Se ha demostrado que determinadas proteínas inmunogénicas se pueden sintetizar en plantas y después usar el tejido vegetal como inmunógenes obteniéndose resultados positivos tanto cuando son administrados por inyección como por vía oral en animales de laboratorio e incluso en humanos voluntarios. Esto es posible con diversas proteínas bacterianas o virales. Una preocupación importante respecto a las vacunas orales es la degradación de los antígenos en el estómago e intestino antes de que puedan inducir una respuesta inmune. Para protegerlos de esta degradación se han desarrollado varios métodos como la bioencapsulación, el uso de cepas recombinantes y la utilización de plantas transgénicas. Producción de anticuerpos en plantas transgénicas Las plantas tienen un gran potencial como fuente ilimitada de anticuerpos monoclonales baratos, llamados “planticuerpos” para terapia humana y animal. La mayoría de anticuerpos expresados se han manifestado en la planta del tabaco, Nicotiana tabaccum, que además resulta ser bastante rentable porque se usan sus hojas, posee facilidad para la manipulación genética y produce gran número de semillas. Ejemplos de anticuerpos producidos en plantas: contra el virus del herpes, contra el Streptocococcus mutans, agente que provoca la caries dental,… Sistemas de producción de anticuerpos y proteínas biofarmacéuticas en plantas transgénicas 1. Transgenes nucleares Los primeros trabajos se realizaron usando la transformación estable del genoma nuclear del tabaco. La metodología de “transgen nuclear” iniciada por la entrega mediada por ADN de Agrobacterium es fácil y permite la transformación estable del genoma nuclear. Ventajas: - permite aumentar la producción de grandes cantidades de antígenos de las reservas de semillas transgénicas, - la expresión puede tener lugar en frutas y otros órganos comestibles de las plantas. Inconvenientes: produce niveles bajos de expresión. Así se han obtenido antígenos contra el cólera, la hepatitis B,…
  • 5. 2. Expresión transitoria con vectores virales Un virus ARN que se replica en el citoplasma actúa como un constructor de ADN que se transcribe en el núcleo para producir ARN viral. Esta tecnología magnICON se ha utilizado para expresar el antígeno de la hepatitis B, el del virus de Norwalk, NVCP,…. Este sistema permite la expresión rápida de proteínas recombinantes a niveles más altos que con los transgenes nucleares. 3. Proteínas farmacéuticas recombinantes Son útiles para el tratamiento de enfermedades genéticas que ocasionan una producción insuficiente o de baja calidad de una determinada proteína. Los niveles de expresión son generalmente bajos. In vitro sí que se ha demostrado actividad pero no se han publicado aún ensayos en animales. Las células de las plantas pueden sintetizar y procesar las proteínas de los mamíferos pero en algunos casos la glicosilación específica de la planta podría producir inmunogenicidad no deseada de la proteína recombinante y disminuir su vida media y utilidad. 4. Vacunas antígenas y terapéuticas derivadas del cloroplasto En la tecnología del cloroplasto, genes extraños se integran en el genoma del cloroplasto mediante recombinación homóloga eliminando variantes de expresión entre líneas transgénicas independientes. La expresión cloroplasto minimiza el riesgo de transferencia de gen extraño a través del polen de los cultivos modificados genéticamente a otros cultivos. La expresión proteínas terapéuticas en las hojas facilita su cosecha antes del desarrollo de las estructuras reproductivas. El sistema de expresión de cloroplastos se ha utilizado para producir antígenos contra: 1. Patógenos bacterianos (cólera, tétanos, Escherichia coli,…) 2. Virales (canine parvovirus, hepatitis E virus, virus del papiloma humano, virus de la fiebre porcina clásica,…) 3. Protozoarios (malaria, Amoebiasis,…) 4. Proteínas difíciles de expresar en otros sistemas como las proteínas antimicrobianas, somatotropina humana, albúmina del suero humano, interferón alpha 2b, insuline-like growth factor,…)
  • 6. Varios de estos antígenos se expresaron inicialmente sólo en la planta del tabaco que no es comestible por poseer nicotina y crear adicción. Estudios posteriores con lechuga (lettuce) han demostrado que los cloroplastos de lechuga tiene un nivel de expresión similar a los del tabaco y su regeneración también es rápida posibilitándose así la administración oral. Se ha demostrado que las proteínas terapéuticas derivadas del cloroplasto y administrados oralmente están protegidas de la degradación en el estómago debido posiblemente a la bio-encapsulación del antígeno por la pared celular vegetal. CONCLUSIONES La presentación de vacunas y productos biofarmacéuticos derivados de plantas es posible y tiene la ventaja de no necesitar sistemas de fermentación y purificación costosos ni de almacenamiento en frío, transporte o entrega estéril. Antes de cualquier aplicación en gran escala, los compuestos biológicos derivados de plantas deberán cumplir con los mismos estándares de seguridad y funcionamiento que son requeridos en otros sistemas de producción. Si los compuestos biológicos derivados de plantas pueden persistir en el ambiente deben tomarse las medidas oportunas, tales como, el sistema derivado de cloroplastos que permite cosechar las hojas antes del desarrollo de las estructuras reproductivas evitándose la dispersión del polen transgénico a hierbas o cultivos cercanos. Actualmente se están investigando varios métodos para contener los transgenes, incluyendo la apomixis, genomas incompatibles, genes suicidas, las barreras de infertilidad, esterilidad masculina y herencia materna. De los diversos sistemas de expresión el más ventajoso es el derivado de cloroplastos, ya que, éstos posibilitan la expresión de antígenos contras patógenos bacterianos, virales, protozoarios y ciertas proteínas antimicrobianas además de lo citado anteriormente. Es cierto que esta tecnología tiene un enorme potencial para producir compuestos de interés farmacéutico y vacunas en condiciones controladas pero, aunque existen importantes avances la escasa financiación y la falta de interés comercial ha provocado una desaceleración en la investigación sobre la producción y administración a gran escala de vacunas comestibles.
  • 7. BIBLIOGRAFIA Elizabeth Loza Rubio, Miguel Ángel Gómez. Producción de vacunas y otros compuestos biológicos en plantas transgénicas. NIH-PA Author Manuscript. Plant-made vaccine antigens and biopharmaceuticals.