Robert Boehm

Bioproduction of Therapeutic Proteins in the 21st Century and the Role of Plants and Plant Cells as Production Platforms

Abstract:  In the last decade, the technique to genetically modify crop plants has gained more and more interest in terms of bioproduction of heterologous proteins. Plants have been discovered as a possible source for large amounts of cost effective recombinant protein. Main application fields are therapeutics for use in animal and human health, diagnostics, and technical enzymes. This review is focused on the recent progress in this field of molecular farming. After a comparison with hitherto established protein production systems, the advantages of plants as an alternative production system are discussed. An overview about the different host plants and possible expression strategies is given and the progress in commercialization of the techniques is highlighted. Finally, the role of plant cell cultures for the production of recombinant proteins is discussed.

Characterization of photosynthetically active duckweed (Wolffia australiana) in vitro culture by Respiration Activity Monitoring System (RAMOS)

The feasibility of oxygen transfer rate (OTR) measurement to non-destructively monitor plant propagation and vitality of photosynthetically active plant in vitro culture of duckweed (Wolffia australiana, Lemnaceae) was tested using Respiration Activity Monitoring System (RAMOS). As a result, OTR proofed to be a sensitive indicator for plant vitality. The culture characterization under day/night light conditions, however, revealed a complex interaction between oxygen production and consumption, rendering OTR measurement an unsuitable tool to track plant propagation. However, RAMOS was found to be a useful tool in preliminary studies for process development of photosynthetically active plant in vitro cultures.

The Use of Plants and Plant Cell Cultures for the Bioproduction of Proteins

Abstract.In the last decade, the technique to genetically modify crop plants has gained more and more interest in terms of bioproduction of heterologous proteins. Plants have been discovered as a possible source for large amounts of cost-effective recombinant protein. Main application field are therapeutics for use in animal and human health, diagnostics and technical enzymes. This review is focussed on the recent progress in this field of molecular farming. After a comparison with hitherto established protein production systems, the advantages of plants as an alternative production system are discussed. An overview about the different host plants and possible expression strategies is given and the progress in commercialization of the techniques is highlighted.

Molecular Farming – Facts and Fiction

Die Beobachtung, das Pflanzenzellen in der Lage sind, Antikorper in biologisch aktiver Form zu produzieren, legte Anfang der 90iger Jahre des vorigen Jahrhunderts den Grundstein fur „Molecular Farming“, einer angewandten neuen Forschungsrichtung der Pflanzenbiotechnologie. In den folgenden Jahrenwurden zahlreiche humane komplexe Proteine in geeigneter Form in Pflanzen, meist Tabak, Mais oder Reis, exprimiert. Dies eroffnete die Vision, unter Verwendung der althergebrachten agrarischen Infrastruktur auf kostengunstige Art und Weise nahezu unbegrenzte Mengen rekombinanter Proteine fur Diagnostik und Therapie, aber auch fur die Versorgung mit technischen Enzymen, bereitstellen zu konnen. Hierdurch treten jedoch pflanzliche Expressionssysteme in Konkurrenz zu den etablierten biologischen Methoden zur Proteingewinnung, so mittels Bakterien, Hefen und tierischen Zellkulturen. Um sich einen etablierten Platz unter den industriell genutzten Expressionssystemen sichern zu konnen, mussen transgene Pflanzen auf dem Feld einen deutlichen Produktionsvorteil aufweisen. Dieser liegt – bei biologisch aquivalenter Produktqualitat – vor allem in den geringeren Produktionskosten. Diesewerden neben der hohen Flexibilitat in der Skalierbarkeit des Produktionsvolumens vor allem durchdie Produktausbeute (Yield) bestimmt.DieMehrzahl der Machbarkeitsstudien ergab jedoch Expressionsniveaus und damit Produktausbeuten weit unterhalb des kommerziell interessanten Niveaus, das bei etwa 50 mg/kg FG beginnt. Aus diesen Grunden konnten sich die anfangs gestellten Erwartung nicht in allen Fallen erfullen und die Erhohung des Expressionsniveaus ist auch in Zukunft eine wichtige Herausforderung fur die biotechologische Forschung. Dennoch gibt es eine Reihe von Beispielen, bei denen transgene Pflanzen in kommerziell sinnvollerWeise als Produktionssysteme genutzt werden konnten. Dies resultierte in einer Reihe von FirmenACHTUNGTRENNUNGgrundungen, vornehmlich in den USA und Kanada. Dabei werden unterschiedlichste Expressionsstrategien verfolgt, so z.B. die transiente Expression (virale Infektion nicht-transgener Pflanzen), plastidare Expression, klassische konstitutive nukleare Expression oder die organspezifische Expression (in Fruchten, Samen, Knollen etc.). Technische Enzyme wie z.B. sGlucuronidase sindbereits auf demMarkt. Im therapeutischen Bereich ist aufgrund der hohen Zulassungsanforderungen und die damit verbundene Dauer bisher kein Produkt aus Pflanzen auf dem Markt, doch wird dies in den nachsten Jahren erwartet. „Frontrunner“ ist hier z.B. ein Antikorper gegen Karies von der Firma Planet Biotechnology, der bereits Teilzulassungen erreicht hat. Es ist zu erwarten, dass die Produktion von rekombinanten Proteinen in transgenen Pflanzen einen festen Platz in der Riege der biotechnologischen Produktionsverfahren erlangen wird, der die bisherigen Produktionssysteme um eine interessante Moglichkeit erganzt. Ob ein pflanzliches Expressionssystem zur Produktion sinnvoll ist, muss in jedem Einzelfall neu gepruft werden. Hier spielt die Art des Proteins, Anforderungen an die Glykosylierung, die benotigte Menge und der Produktionspreis ebenso eine Rolle wie patentrechtliche Uberlegungen. Die Verwendung pflanzlicher Zellkulturen wird dagegen in der Zukunft wahrscheinlich von eher untergeordneter Bedeutung sein. Sie sind in der Handhabung den etablierten fermentativen Produktionsverfahren sehr ahnlich und lassen auf dem gegenwartigen Stand der Technik keinen erkennbaren okonomischen Vorteil erkennen. Dazu tragen die beobachteten geringen Produktausbeuten von maximal 15 mg/l/Tag masgeblich bei. Kommerzielle Anwendungenwird es nur in einigen speziellen Fallen geben wie z.B. die Verwendung von Physcomitrella patens durch Greenovation (Freiburg).