Будущее вакцин может больше походить на поедание салата, чем на укол в руку. Ученые Калифорнийского университета в Риверсайде изучают, могут ли они превратить съедобные растения, такие как салат, в фабрики по производству мРНК-вакцин.
Будущее вакцин может выглядеть примерно так.
Коммуникатор РНК или мРНК технология, используемый в COVID-19 вакцин, работает обучая наши клетки распознавать и защитить нас от инфекционных заболеваний.
Одна из проблем, связанных с этой новой технологией, заключается в том, что она должна храниться в холодном состоянии, чтобы поддерживать стабильность во время транспортировки и хранения. Если этот новый проект окажется успешным, вакцины с мРНК на основе растений, которые можно есть, смогут преодолеть эту проблему благодаря возможности хранения при комнатной температуре.
Цели проекта изучения растений
Цели проекта, ставшие возможными благодаря гранту в размере 500000 долларов США от Национального научного фонда, преследуют три цели: показать, что ДНК, содержащая мРНК-вакцины, может быть успешно доставлена в ту часть растительных клеток, где она будет реплицироваться, и продемонстрировать, что растения могут производить достаточно мРНК, чтобы конкурировать с ними, традиционный укол и, наконец, определение правильной дозировки.
Хлоропласты (пурпурный) в листьях, экспрессирующие зеленый флуоресцентный белок. ДНК, кодирующая белок, доставлялась с помощью целевых наноматериалов без механической помощи путем нанесения капли нанокомпозиции на поверхность листа. Предоставлено: Израиль Сантана / UCR.
«В идеале одно растение производило бы достаточно мРНК для вакцинации одного человека», — сказал Хуан Пабло Хиральдо, доцент кафедры ботаники и растений UCR, который возглавляет исследование, проведенное в сотрудничестве с учеными из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Карнеги. Университет Меллона.
«Мы тестируем этот подход со шпинатом и салатом и ставим перед собой долгосрочные цели, чтобы люди выращивали его в собственных садах», — сказал Хиральдо. «Фермеры также могут в конечном итоге выращивать на нем целые поля».
Ключом к этой работе являются хлоропласты — маленькие органы в клетках растений, которые преобразуют солнечный свет в энергию, которую растение может использовать. «Это крошечные фабрики на солнечной энергии, которые производят сахар и другие молекулы, которые позволяют растению расти», — сказал Хиральдо. «Они также являются неиспользованным источником для создания желаемых молекул».
Как хлоропласты могут экспрессировать гены
В прошлом Хиральдо показал, что хлоропласты могут экспрессировать гены, которые в природе не являются частью растения. Он и его коллеги сделали это, отправив чужеродный генетический материал в клетки растений внутри защитной оболочки. Определение оптимальных свойств этих оболочек для доставки в клетки растений — специальность лаборатории Giraldo.
Вирусы растений предоставляют встречающиеся в природе наночастицы, которые используются для доставки генов в клетки растений. Предоставлено: Николь Стейнмец / UCSD.
Для этого проекта Хиральдо объединилась с Николь Стейнмец, профессором наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего, чтобы использовать разработанные ее командой нанотехнологии, которые доставляют генетический материал в хлоропласты.
- «Наша идея состоит в том, чтобы использовать встречающиеся в природе наночастицы, а именно вирусы растений, для доставки генов растениям», — сказал Стейнмец.
- «Некоторые инженерные разработки направлены на то, чтобы заставить наночастицы попасть в хлоропласты, а также сделать их неинфекционными для растений».
- Для Giraldo шанс развить эту идею с помощью мРНК — это кульминация мечты. «Одна из причин, по которой я начал работать в сфере нанотехнологий, заключалась в том, что я мог применять ее на предприятиях и создавать новые технологические решения. Не только для продуктов питания, но и для дорогостоящих продуктов, таких как фармацевтические препараты», — сказал Хиральдо.
Giraldo также является со-руководителем связанного проекта с использованием наноматериалов для доставки азота, удобрения, непосредственно к хлоропластам, где растениям он нужен больше всего.
Содержание азота в окружающей среде ограничено, но он необходим растениям для роста.
Большинство фермеров вносят в почву азот. В результате примерно половина его попадает в грунтовые воды, загрязняя водные пути, вызывая цветение водорослей и взаимодействуя с другими организмами. Он также производит закись азота , еще один загрязнитель.
Этот альтернативный подход позволит доставить азот в хлоропласты через листья и контролировать его высвобождение — гораздо более эффективный способ применения, который может помочь фермерам и улучшить окружающую среду.
Национальный научный фонд выделил Хиральдо и его коллегам 1,6 миллиона долларов на разработку этой технологии адресной доставки азота.
«Я очень рад всем этим исследованиям», — сказал Хиральдо. «Я думаю, это может иметь огромное влияние на жизни людей».