Al giorno d'oggi, sono in fase di studio varie proteine terapeutiche ricombinanti prodotte dalle piante, tra cui anticorpi, vaccini, proteine bioattive, enzimi e piccoli polipeptidi 1,2,3,4,5,6. Le piante stanno diventando una piattaforma sempre più utilizzata per la produzione di proteine terapeutiche grazie alla loro sicurezza, al basso costo e alla capacità di scalare rapidamente la produzione 7,8. L'espressione e la modificazione delle proteine nei sistemi vegetali, insieme alla purificazione delle proteine, sono fattori critici che determinano la produttività dei bioreattori delle piante 9,10. Migliorare la produttività delle piante e ottenere proteine target di elevata purezza sono le sfide principali che i sistemi di produzione a base vegetale devono affrontare11,12.
La localizzazione subcellulare e la modifica delle proteine ricombinanti dipendono dallo specifico peptide segnale codificato all'N-terminale, che indirizza la proteina alla sua destinazione finale nell'organello durante l'espressione genica. Le proteine ricombinanti sono progettate per localizzarsi nell'apoplasto, nel reticolo endoplasmatico (ER), nel cloroplasto, nel vacuolo o nel citoplasma, in base alle loro proprietà uniche13. Per gli antigeni e gli anticorpi, sono preferite le proteine secrete. Prima della secrezione, le proteine progrediscono attraverso l'ER e il Golgi per il corretto ripiegamento e le modifiche post-traduzionali 14,15,16.
Dopo la produzione nelle piante, le proteine ricombinanti devono essere purificate da estratti vegetali. Tipicamente, le proteine vengono purificate da estratti vegetali solubili totali, che contengono abbondanti proteine intracellulari, prodotti mal ripiegati e non modificati e citocromi17. Per rimuovere le impurità, gli estratti vegetali subiscono un frazionamento esteso, tra cui la cromatografia di affinità specifica per ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi (RuBisCO), la precipitazione dei fitati, la precipitazione del polietilenglicole e la regolazione della temperatura e del pH18,19. Tali passaggi di rimozione delle impurità sono laboriosi e possono compromettere la qualità delle proteine.
Il compartimento cellulare vegetale oltre la membrana plasmatica è definito come apoplasto, che comprende la parete cellulare, gli spazi intercellulari e lo xilema20. La fase acquosa è comunemente chiamata fluido di lavaggio apoplast (AWF). L'AWF contiene molecole secrete dalle cellule per regolare numerosi progressi biologici come il trasporto, il metabolismo della parete cellulare e le risposte allo stress21,22. A differenza del TSP, i costituenti molecolari dell'AWF sono meno complessi. L'estrazione di proteine ricombinanti da AWF può evitare la contaminazione da proteine intracellulari, prodotti mal ripiegati e residui citoplasmatici. In breve, il lipide di estrazione entra nelle foglie attraverso gli stomi a pressione negativa e l'AWF viene raccolto mediante centrifugazione delicata23. Sebbene l'isolamento dell'AWF sia ampiamente utilizzato per studiare il progresso biologico all'interno dell'apoplasto 24,25,26,27, non è stato sfruttato nei sistemi di produzione a base vegetale.
Migliorare la produttività delle piante e ottenere proteine target ad alta purezza sono sfide centrali per i sistemi di produzione vegetale28. Tipicamente, le proteine vengono purificate da estratti vegetali solubili totali contenenti grandi quantità di proteine intracellulari, prodotti mal ripiegati e non modificati e citocromi29, che richiedono grandi costi per la successiva purificazione30. L'uso di metodi di estrazione delle proteine AWF per l'estrazione di proteine ricombinanti esogene secrete nell'apoplast può migliorare efficacemente l'omogeneità delle proteine ricombinanti e ridurre il costo della purificazione delle proteine. Qui, utilizziamo un peptide segnale PR1a per abilitare la secrezione di proteine esogene nello spazio dell'apoplasto e introduciamo un metodo dettagliato per la purificazione di proteine ricombinanti dall'AWF di N. benthamiana.