植物分子农业 (PMF) 是一种先进的现代技术，利用植物的生物合成机制合成大量重组蛋白，包括工业和治疗酶。与微生物发酵和哺乳动物细胞培养等传统方法相比，它具有多项优势，包括成本更低、产量高、无人类病原体和内毒素。植物还具有相当大的灵活性，可以实现定制蛋白质生产。

众所周知，本氏烟和烟草等烟草品种的基础免疫力较弱，核糖核酸 (RNA) 沉默途径较弱，涉及降解外来 RNA 作为防御机制。这些特点加上其生命周期短、生物质生产能力大，使其成为快速高效重组蛋白生产的理想选择。

然而，尽管有这些优点，这种蛋白质的生产也有一定的局限性。烟草细胞需要对每种重组蛋白进行特定的亚细胞定位。

虽然有多项研究探索了烟草中重组蛋白的生产，但需要对亚细胞定位策略进行全面研究。BioDesign Research发表的一篇综述解决了这个问题，并重点介绍了将重组蛋白引导至四个亚细胞区室(内质网 (ER)、液泡、叶绿体和质外体)的靶向策略。

中国农业科学院研究员、该研究的通讯作者之一宋世建博士提供了更多背景信息，他表示：“优化单个靶蛋白的亚细胞定位对于蛋白质的成功合成及其在药理学行业的应用至关重要。”

ER 因容纳分子伴侣而被认为是重组蛋白的定位中心，分子伴侣可帮助蛋白质折叠，同时还可最大程度地降低蛋白质降解的风险。导向 ER 的蛋白质会进行同质糖基化，这是一种添加碳水化合物的反应，这对于许多治疗性蛋白质至关重要。重组蛋白在植物 ER 中的积累可通过结合 N 端特异性 ER 靶向或分泌信号肽以及 C 端保留序列来实现。

在强调这项研究的局限性的同时，这项研究的另一位通讯作者 Inhwan Hwang 博士提到，“内质网超负荷可能会导致内质网应激，从而导致蛋白质产量在这种情况下显著降低。”如果在表达水平期间进行仔细的管理，就可以避免这种情况。

这项研究的结果表明，内质网定位最适合大型、复杂的糖蛋白(附着碳水化合物的蛋白质)，这些糖蛋白需要伴侣分子才能折叠。这些糖蛋白的氮原子上附着有碳水化合物，类似于哺乳动物的蛋白质。

植物液泡是烟草中另一个重要的细胞器，约占烟草叶细胞体积的 80% 至 90%。PMF 技术利用这一巨大的存储容量进行重组蛋白定位。液泡分选信号(可以是位置特异性的，也可以是序列特异性的)对于液泡定位至关重要。

刁海平博士指出了这些液泡的一个有趣方面，他说：“蛋白质可以通过不同的运输途径进入液泡。重组是为了确保蛋白质直接从内质网运输到液泡，绕过高尔基体。”

由于存在一种称为蛋白酶的分解酶，某些蛋白质也容易在液泡中降解。因此，最好将耐酸性环境或天然存在于人类溶酶体中的蛋白质定位在液泡中。

烟草叶组织中的叶绿体储存了最高水平的天然蛋白质，使其成为大量积累重组蛋白的理想场所。积累大量重组蛋白的主要策略有两种：叶绿体转化和核转化。

叶绿体转化可以实现外源基因的稳定表达、最佳的蛋白质折叠条件以及最小的环境转移风险。然而，通过这一过程产生高产转基因植物由于存在一定的技术挑战而困难且耗时。

另一方面，核转化涉及与叶绿体转运肽融合的重组蛋白，从而可以更快地产生蛋白质。研究表明，叶绿体定位可能最适合不需要大量生化修饰的蛋白质。

植物质外体是植物细胞内细胞膜与细胞壁之间的重要空间，是重组蛋白积累的极佳场所，蛋白质在质外体中的积累也简化了纯化方法。

虽然较小的重组蛋白可以直接从质外体液中提取，但较大的蛋白复合物需要传统的纯化过程。重组蛋白的结构完整性也可能因质外体中存在蛋白酶而受损。为了避免这种复杂情况，蛋白酶抑制剂的共表达正越来越多地被用作一种新兴策略。

PMF 有可能彻底改变重组蛋白的生产方式。然而，适应性生产水平、可比质量和成本问题仍然存在。宋诗建博士进一步阐述道：“要使转基因植物在工业研究中的使用正常化，严格遵守协议、提高公众参与度和遵循严格的安全协议非常重要。”

改造烟草植物底盘，包括低效蛋白酶处理、有效配置资源、建立无毒植物反应器等，有助于进一步发展。生物制造的最终商业化是PMF发展的重要标志。

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