Tegenwoordig worden verschillende door planten geproduceerde recombinante therapeutische eiwitten bestudeerd, waaronder antilichamen, vaccins, bioactieve eiwitten, enzymen en kleine polypeptiden 1,2,3,4,5,6. Planten worden een steeds meer gebruikt platform voor de productie van therapeutische eiwitten vanwege hun veiligheid, lage kosten en het vermogen om de productie snel op te schalen 7,8. Eiwitexpressie en -modificatie in plantsystemen, samen met eiwitzuivering, zijn kritische factoren die de productiviteit van plantenbioreactoren bepalen 9,10. Het verbeteren van de productiviteit van planten en het verkrijgen van zeer zuivere doeleiwitten zijn de belangrijkste uitdagingen waarmee plantaardige productiesystemen worden geconfronteerd11,12.
De subcellulaire lokalisatie en modificatie van recombinante eiwitten hangt af van het specifieke signaalpeptide dat gecodeerd is aan de N-terminus, dat het eiwit tijdens genexpressie naar zijn uiteindelijke organelbestemming richt. Recombinante eiwitten zijn ontworpen om te lokaliseren in de apoplast, endoplasmatisch reticulum (ER), chloroplast, vacuole of cytoplasma, op basis van hun unieke eigenschappen13. Voor antigenen en antilichamen hebben uitgescheiden eiwitten de voorkeur. Vóór secretie gaan eiwitten door ER en Golgi voor correcte vouwing en post-translationele modificaties 14,15,16.
Na productie in planten moeten recombinante eiwitten worden gezuiverd uit plantenextracten. Doorgaans worden eiwitten gezuiverd uit totaal oplosbare plantenextracten, die overvloedige intracellulaire eiwitten, verkeerd gevouwen en niet-gemodificeerde producten en cytochromen bevatten. Om onzuiverheden te verwijderen, ondergaan plantenextracten uitgebreide fractionering, waaronder ribulose-1,5-bisfosfaatcarboxylase/oxygenase (RuBisCO)-specifieke affiniteitschromatografie, fytaatprecipitatie, polyethyleenglycolprecipitatie en aanpassing van temperatuur en pH18,19. Dergelijke stappen voor het verwijderen van onzuiverheden zijn arbeidsintensief en kunnen de eiwitkwaliteit in gevaar brengen.
Het plantencelcompartiment voorbij het plasmamembraan wordt gedefinieerd als de apoplast, die de celwand, intercellulaire ruimtes en xyleem20 omvat. De waterige fase wordt gewoonlijk apoplast wasvloeistof (AWF) genoemd. AWF bevat moleculen die door cellen worden uitgescheiden om tal van biologische ontwikkelingen te reguleren, zoals transport, celwandmetabolisme en stressreacties21,22. In tegenstelling tot TSP zijn de moleculaire bestanddelen van AWF minder complex. Het extraheren van recombinante eiwitten uit AWF kan besmetting door intracellulaire eiwitten, verkeerd gevouwen producten en cytoplasmatische resten voorkomen. In het kort komt extractielipide de bladeren binnen via de huidmondjes onder negatieve druk, en de AWF wordt verzameld door zachte centrifugatie23. Hoewel isolatie van AWF op grote schaal wordt gebruikt om de biologische vooruitgang in apoplast 24,25,26,27 te bestuderen, is het niet benut in plantaardige productiesystemen.
Het verbeteren van de productiviteit van planten en het verkrijgen van zeer zuivere doeleiwitten zijn centrale uitdagingen voor plantaardige productiesystemen28. Doorgaans worden eiwitten gezuiverd uit totaal oplosbare plantenextracten die grote hoeveelheden intracellulaire eiwitten, verkeerd gevouwen en niet-gemodificeerde producten en cytochromenbevatten 29, die hoge kosten met zich meebrengen voor de daaropvolgende zuivering30. Het gebruik van AWF-eiwitextractiemethoden voor de extractie van exogene recombinante eiwitten die in apoplast worden uitgescheiden, kan de homogeniteit van recombinante eiwitten effectief verbeteren en de kosten van eiwitzuivering verlagen. Hier gebruiken we een signaalpeptide PR1a om exogene eiwitsecretie in de apoplastruimte mogelijk te maken en introduceren we een gedetailleerde methode voor recombinante eiwitzuivering uit de AWF van N. benthamiana.