Nicotiana benthamiana: collir la vacuna contra la COVID-19

En aquest escenari de noves estratègies tecnològiques l’espècie Nicotiana benthamianaDomin (Solanaceaea) ha adquirit gran rellevància, pel fet que pot ser utilitzada de manera eficaç en el disseny i producció d’una vacuna anti-COVID-19. Després d’un mes d’investigació, l’empresa biotecnològica Medicago, Inc., va confirmar a l’abril que disposa d’un candidat a vacuna produït en plantes de N. bethamiana, capaç d’induir resposta immunològica en ratolins de laboratori. Durant aquest mes de juliol Mendicago Inc. inicià l’assaig clínic de la Fase I amb resultats robustos, que permetran iniciar la Fase II i III el mes d’octubre.

De formar solapada a aquest avanç, i donat l’interés i potencial d’aquesta espècie vegetal per al disseny de molècules d’interés biomèdic, la plataforma internacional Newcotiana ha alliberat i posat a la disposició d’empreses i investigadors el genoma seqüenciat d’aquesta solanácea, en l’intent d’agilitar qualsevol progrés en el desenvolupament d’una vacuna.

És així com el nostre coneixement de les plantes i la seua biotecnologia pot convertir-se en un element estratègic de gran impacte per a mitigar els efectes de la COVID-19. En els pròxims anys coexistiran diverses vacunes eficaces com a estratègia terapèutica d’immunització. Estem segurs que una d’elles estarà cultivada en plantes.

Què poden aportar les plantes a la lluita contra la COVID-19?

El nostre coneixement del món vegetal i de la seua biotecnologia serà un element clau i sense precedents en la lluita contra el nou coronavirus. Que les plantes puguen ser utilitzades per al disseny i producció de vacunes és un fet molt poc conegut, que contrasta amb la creixent solidesa que aquesta línia d’investigació ha adquirit en l’última dècada.

Aquesta tecnologia, basada en l’ús de diferents espècies de plantes (però també d’animals) per a la producció de fàrmacs, és coneguda com a Molecular Pharming i utilitza éssers vius modificats genèticament, amb l’objectiu d’obtindre proteïnes d’interés biomèdic (antígens, anticossos, enzims, hormones, etc.). Si bé en els seus inicis presentava resultats escassos i poc prometedors, trenta anys d’investigació l’han convertida en una tecnologia sòlida i eficient. Tant és així que va ser el sistema de producció seleccionada per a dissenyar el primer còctel d’anticossos (ZMapp) utilitzat per al tractament de la malaltia pel virus de l’Ébola. Aquest mateix sistema ha sigut utilitzat en la producció de l’enzim terapèutic taliglucerasa alfa, cultivada en cèl·lules de carlota, d’ús exitós en les persones amb malaltia de Gaucher, que manquen precisament d’aqueix enzim.

D’altra banda, des de l’any 2017 i afavorida per l’Organització Mundial de la Salut (OMS), es treballa en una vacuna contra la Pòlio-3 cultivada en plantes de Nicotiana benthamiana. L’últim dels fàrmacs que apuntala aquest sistema de producció és la vacuna antigripal tetravalent virus like particle (VLP), actualment en fase clínica III amb immillorables resultats, produïda en fulles d’aquesta espècie, i que es convertirà en la primera vacuna antigripal, per a ús humà, desenvolupada amb aquesta tecnologia.

Cultivar vacunes en plantes: Molecular pharming

De forma molt sintètica, la tecnologia Molecular pharming es basa en l’obtenció de proteïnes recombinants per edició genòmica i mediació de plantes (o animals). El sistema d’expressió d’aquestes proteïnes pot produir-se en plantes completes o en alguns dels seus òrgans (fulles, llavors, tubercle o fruits), però també poden utilitzar-se sistemes de propagació de biomassa, com són les cèl·lules vegetals cultivades en bioreactors.

Uns dels aspectes més interessants d’aquesta tecnologia aplicada al maneig de la planta sencera, és la possibilitat de generar cultius amb modificacions genètiques transitòries i que, per tant, no tenen la condició d’organisme genèticament modificat (ja que els gens editats no són heretables en la descendència). Aquest sistema és ràpid i d’elevada producció. Per exemple, en fulles de Nicotiana benthamiana es tarda una mica menys de 10-12 dies a produir antígens per a una vacuna. De fet, supera de manera notable als sistemes de producció de vacunes clàssics basats en cultiu de bacteris com a Escherichia coli, llevats com Saccharomyces cerevisiae o ovòcits de hàmster xinés Cricetulus griseus (CHO).

En concret, per a la COVID-19 i utilitzant el sistema d’expressió transitòria de gens es poden dissenyar sèrums immunològics, vacunes o molècules d’interés diagnòstic utilitzades en test. En la fase actual de la pandèmia aquest seria el model de disseny més adequat a causa de la urgència de les mesures d’immunització de la població.

D’altra banda, es poden establir modificacions genòmiques permanents per a dissenyar una vacuna d’administració oral, que també podria ser fabricada per sistemes de propagació de biomassa mitjançant el cultiu de cèl·lules vegetals en bioreactors (cèl·lules d’arròs i carlota). L’administració oral d’una vacuna seria oportuna, probablement, en un escenari postpandémic, i dins de grans projectes futurs de vacunació, ja que els seus temps de producció són majors que les transformacions genòmiques transitòries. Encara que són notables els esforços per a l’obtenció, en plantes, de la vacuna d’administració oral, no podem considerar-la actualment una realitat terapèutica per a l’ús humà, perquè encara és necessari desenvolupar aspectes relacionats amb la bioseguretat, producció i reglamentació.

Aquest sistema de producció de vacunes i sèrums immunològics (injectable o oral) mediat per plantes i basat en l’edició genòmica es va concebre com l’ideal per a escenaris epidèmics com l’actual i presenta diversos avantatges respecte a mètodes tradicionals: 1) elevada capacitat de producció; 2) baix cost; i 3) escalabilitat variable. També hem de considerar el fet que aquest tipus de producció en plantes elimina fenòmens de contaminació de cultius per altres virus humans. D’altra banda, pot solucionar problemes de distribució, emmagatzematge i conservació als quals les regions més empobrides del planeta s’enfronten amb els mètodes clàssics de producció i distribució de vacunes.

Què té de particular Nicotiana benthamiana?

Aquesta solanácea de creixement ràpid, coneguda per a la ciència des de l’any 1929 centra la major part dels esforços actuals per a la producció de vacunes o sèrums immunològics contra moltes malalties humanes i animals i, entre elles, la COVID-19. És una espècie originària dels subdeserts del nord-oest d’Austràlia, emparentada amb la planta del tabac Nicotiana tabacum L.. L’espècie és resultat d’una hibridació natural ocorreguda fa uns 10 milions d’anys, entre Nicotiana sylvestris Speg. & S. Menges i N. tomentosiformis Goodsp., dues espècies que actualment no conviuen de manera natural ni són presents al continent australià. L’interés d’aquesta espècie radica en la particularitat que creix en ambients extrems. Aquest fet condiciona que tinga pocs enemics naturals i, per tant, que el seu repertori immunològic estiga molt suavitzat. Realment és l’escassetat d’aigua l’enemic més important que té durant el seu desenvolupament en el seu hàbitat natural, amb precipitacions anuals inferiors a 330 litres per metre quadrat.

Des d’un punt de vista genètic l’espècie presenta una disfuncionalitat que afecta el gen Rdr1. Aquest gen té un paper director en un mecanisme de defensa de la cèl·lula vegetal enfront d’àcids nucleics estranys (com els que formen els virus, per exemple). Aquesta baixa activitat del seu sistema immunològic permet, amb una certa facilitat, introduir en la planta seqüències genètiques mitjançant vectors, que possibiliten l’expressió, amb caràcter transitori, de proteïnes alienes al seu propi metabolisme. L’espècie és un model d’experimentació vegetal ben conegut i el seu genoma ha sigut completament seqüenciat. La seua alta susceptibilitat als virus i la seua capacitat per a expressar transgens de manera transitòria l’han convertida en un model revolucionari per al disseny de vacunes.

Projecte Internacional Newcotiana

La plataforma internacional Newcotiana, creada el 2018 i coordinada per l’investigador Diego Orzáez, de l’Institut de Biologia Molecular i Cel·lular de Plantes (IBMCP), centre mixt del CSIC i la Universitat Politècnica de València, va ser concebut com una plataforma biotecnològica amb la finalitat de crear, desenvolupar i adaptar eines genètiques d’alta precisió (CRISPR / Cas9) per al millorament de les espècies Nicotiana benthamiana i N. tabacum.

Les millores d’aquestes espècies per edició genòmica han estat dirigides al desenvolupament de biomolècules d’interés biomèdic i, en definitiva, a generar un valor afegit i un canvi de nínxol econòmic per als cultius de tabac. Amb caràcter inicial, aquesta plataforma va seqüenciar el genoma de N. benthamiana. Conéixer aquest mapa genètic és imprescindible per a fer canvis d’alta precisió en el genoma de la planta. Aquestes modificacions podran augmentar tant l’efectivitat de les molècules biomèdiques obtingudes, en aquest cas vacunes o sèrums immunològics, com la quantitat produïda per cultiu. Com déiem a l’inici, la situació actual d’emergència sanitària ha propiciat que aquest consorci haja posat a la disposició d’investigadors i empreses el genoma de la planta, perquè pot ser utilitzada en la producció de vacunes anti-COVID19. Molt probablement aquesta cessió del genoma agilitzarà de manera notable el possible desenvolupament biotecnològic d’una vacuna mediada per Nicotiana benthamiana.

Antonio Pla Celdrán. Màster en biotecnologia i medi ambient, consultor ambiental i coordinador de Biòlegs per Espanya