Phân tích tiềm năng phát triển Molecular farming(Các trang trại trồng cây chuyển gen) phục vụ sản xuất dược phẩm.docx

MỞ ĐẦU Việc ứng dụng công nghệ sinh học hiện đai trong thời gian qua đã đạt được những thành tựu to lớn và có nhiều ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, đặc biệt là đã tạo ra những sinh vậ

Chủ đề 11: Phân tích tiềm năng phát triển Molecular farming(Các trang trại trồng cây chuyển gen) phục vụ sản xuất dược phẩm? Việc phát triển này có mang lại những tác động tiêu cực đến môi trườngvà sức khỏe con người hay không?

GVHD: PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Thảo

SV Thực hiện: Nhóm 11

MỞ ĐẦU

Việc ứng dụng công nghệ sinh học hiện đai trong thời gian qua đã đạt được những thành tựu to

lớn và có nhiều ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, đặc biệt là đã tạo ra những sinh vật biến đổi

gen mong muốn có giá trị cao

Ví dụ:

Bông chuyển gen có ghép gen trừ sâu BT

Sản phẩm biến đổi gen đang mang lại giá trị kinh tế rất cao, trong đó sản phẩm y dược chiếm 75

% còn sản phẩm nông nghiệp chiếm 3%

Bảng kết quả thống kê của một số loại cây chuyển gen có tác dụng trong dược phẩm:

Cây chuyển gen Tạo hợp chất dược phẩm Tác dụng

Cây ngô Tổng hợp alpha-L-induronidse Điều trị căn bệnh gây nguy hiểm đến tim não

Cây piriwinkle Sản sinh nhiều hợp chất dược

phẩm như những alkaloid vinblastine

Sử dụng để sử lí ung thư như trường hợp bệnh Non- Hodgkin’s

Cây thuốc lá Tổng hợp kháng thể

immunoglobulin, kháng thể chống lại streptococcus mutans , kháng thể chống lại

Có tất cả các đặc tính của kháng thể đơn dòng sản sinh từ hybridoma

Trong 42 mẫu thí nghiệm các nhà khoa học nhận thấy việc ghép gen trừ sâu ngay trên cây trồng hoàn toàn có lợi về mặt môi trường

vì tránh được dùng thuốc hoá học để phun trên diện rộng Các sinh vật có lợi trong đất như giun hoặc côn trùng có ích như kiến vàng, bọ ngựa, ong – những loại côn trùng có ích - trong vùng trồng cây GM ghép gen trừ sâu xanh BT phát triển tốt hơn hẳn so với những cánh đồng phun thuốc trừ sâu hóa học.

doxorubicin Biosimilar trastuzumab

Cây cải dầu Hợp chất enkephalin Chất giảm đau

Với nhiều giá trị mang lại, sự đầu tư mở rộng quy mô nghiên cứu và khai thác sản phẩm ngày càng mở rộng.Chính vì vậy trang trại cây trồng chuyển gen được quan tâm rất lớn

NỘI DUNG

1.Khái niệm

Trang trại cây trồng chuyển gen (Molecular Farming/ Plant molecular farming – PMF) là sử dụng những cây biến đổi gen để sản xuất sản phẩm dược phẩm hoặc hóa chất công nghiệp Các sản phẩm của pharming là các protein tái tổ hợp hoặc các sản phẩm chuyển hóa của chúng Protein tái tổ hơp được sử dụng phổ biến nhất là sản xuất được sản xuất bằng cách sử dụng vi khuẩn hoặc nấm men trong một bioreactor ( lò phản ứng sinh học)

Cơ chế:Một phân tử AND mang thong tin di truyên cho một chất dược phẩm được chuyển vào

hệ gen của cây trồng Các cây mang gen này hoạt động như ột lò phản ứng sinh học sản xuất với

số lượng lớn dược phẩm Thông qua công nghiệp chế biến, các chất có hoạt tính dược học được chiết xuất và đưa vào sản phẩm

.

Cơ chế của cây chuyển gen phục vụ sản xuất dược phẩm

Một số đường hướng phát triển:

 Tạo vaccine ăn được

Vaccine ăn được từ thực vật là vaccine tiểu phần protein làm kháng nguyên mong muốn

Vaccine ăn là vaccine tác động vào thể dịch, kích thích cả hệ thống miễn dịch thể dịch và miễn dịch tế bào

Tiêm chủng là một trong những trang bị tối cần thiết để một đứa trẻ lớn lên an toàn và khoẻ mạnh, tuy nhiên bất kỳ một đứa trẻ nào, (và ngay những trẻ đã lớn) đều rất “ngại” chỉ cần nghĩ đến việc tiêm thuốc Vì đường tiêm thường gây đau cho người sử dụng, cộng thêm số lượng virút gây bệnh nguy hiểm ngày càng nhiều kéo theo số lượng mũi tiêm cũng tăng lên và mỗi lần tiêm vào mỗi chỗ khác nhau của cơ thể Chưa kể đến việc bảo quản, vận chuyển với điều kiện nghiêm ngặt đối với các vaccine Giải quyết hết tất cả những vấn đề này các nhà khoa học của chúng ta đã tạo ra một cái gọi là “Vaccine ăn”

Ở nước ta Vaccin ăn có lẻ là một cụm từ khá mới mẻ nhưng đối với các nước phát triển trên thế giới thì nó không có gì xa lạ lắm, bởi từ những năm đầu thập niên 90 người ta đã tạo thành công những “cây Vaccine ăn” đầu tiên

Tuy nhiên cho đến nay việc Nghiên cứu và phát triển vaccine ăn vẫn còn đang là một phương hướng nghiên cứu rất mới của công nghệ sinh học, đặc biệt là ở những nước đang phát triển và những nước nghèo, nơi mà vấn đề miễn dịch thường là mối quan tâm lớn

Nghiên cứu và phát triển vaccine ăn cần sự kết hợp đồng thời giữa lĩnh vực miễn dịch học và thực vật học Do vậy việc nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm vaccine ăn thông qua cây trồng chuyển gen vẫn còn nhiều hạn chế, tuy nhiên cũng đã thu được những nhiều thành tựu to lớn

 Tạo cây chuyển gen có chứa hợp chất dược phẩm (enzym,protein, )sử dụng để sản xuất

dược phẩm

Hiện nay, trong y học đã có khoảng 50 loại dược phẩm là sản phẩm biến đổi gen

Ví dụ: Sản xuất kháng nguyên HIV từ cây chuyển gen

 Kháng thể cho ứng dụng chẩn đoán phòng ngừa, và điều trị (chẳng hạn như ngăn ngừa sâu răng, giảm thải ghép thận, và giúp đỡ trong việc điều trị ung thư)

2.Ưu, nhược điểm

2.1.Ưu điểm

Ưu điểm của cây chuyển gen phục vụ sản xuất dược phẩm

1 Cho phép sản xuất với số lượng lớn: Với vắcxin thực vật, có thể tạo ra lượng thuốc đầu

tiên để kiểm nghiệm y tế trong vòng 8 đến 10 tuần

2 Chi phí thấp: quá trình sinh protein, các hoạt chất do cây trồng tự tổng hợp, xây dựng

các nhà kính hiệu quả hơn về mặt chi phí so với các cơ sở tiệt trùng, công nghệ sản xuất đặt tiền và các bể thép không rỉ cần để cấy tế bào côn trùng hoặc động vật có vú được sử dụng trong các vắcxin truyền thống

3 Không mang mầm bệnh nguy hiểm đến sức khỏe con người: do loại bỏ các nguy cơ ô

nhiễm củasản phẩm cuối cùng với virus động vật và prion Thực vật không mang mầm bệnh nguy hiểm cho sức khỏe con người Ngoài ra, về mức độ các protein dược lý hoạt động, không có protein trong thực vật tương tự như protein của con người Mặt khác, các thực vật vẫn còn đầy đủ liên quan chặt chẽ với động vật và con người, chúng có thể xử lý một cách chính xác protein động vật và con người

4 Dễ bảo quản và vận chuyển: các loại thuốc hay vaccine bình thường điều kiện bảo quản

rất nghiêm ngặt (đòi hỏi phải được lưu giữ trong môi trường lạnh, điều kiện vô cùng khó khăn ở những vùng xa xôi đối với các nước đang phát triển Trong khi các nước này lại

có tỉ lệ bệnh tật rất cao).Do vậy khoa học gần đây đã coi cây trồng như một nguồn vacxin phòng bệnh

5 Dễ quản lý: thu hái toàn bộ sản phẩm đưa vào chiết tách để sản xuất dược phẩm không

để phát tán ra bên ngoài, có thể đốt những phần không sử dụng…

6 Khả năng mở rộng quy mô lớn: có thể dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất để thương

mại hóa trong vòng 2 đến 4 tháng

7 Thân thiện với môi trường:cây chuyển gen phục vụ sản xuất dược phẩm cũng là một

loại thực vật vì vậy nó sẽ góp phẩn iảm bớt ô nhiễm đất đai và nước ngầm, đồng thời làm sạch kim loại

8 Nguồn nguyên liệu dễ kiếm tìm: Các sản phẩm tiềm năng của cây trồng chuyển gen bao

gồm máu mỏng, giám sát, hemoglobin, insulin, hormon tăng trưởng, điều trị ung thư và các biện pháp tránh thai Sản phẩm đã có trong các đường ống bao gồm nhà máy sản xuất vắc-xin viêm gan B, bệnh tả, bệnh dại, HIV, sốt rét và cúm Một công ty đang phát triển ngô biến đổi gen (ngô) để sản xuất lipase, một loại enzyme tiêu hóa được sử dụng để điều trị các bệnh nhân bị xơ nang Viêm khớp và các bệnh tự miễn dịch khác cũng là mục tiêu cho các nhà máy sản xuất vắc-xin ( Sala et al, 2003 ) Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào ngô, chuối, cà chua, cà rốt và rau diếp là cơ chế có thể uống giao đối với vắc xin như vậy bởi vì những thực

phẩm này có thể được ăn sống, do đó tránh các protein biến tính thường xảy ra trong khi nấu ( Sala et al 2003 ) Sản xuất vắc-xin trong các nhà máy thực phẩm sẽ loại bỏ sự cần thiết phải làm lạnh, làm hạn chế tính hữu dụng của vắc-xin nhất định ở nhiều nơi trên thế giới

( Walmsley và Arntzen 2000 )

So sánh với các hệ thống sản xuất dược phẩm khác :

Vi sinh vật: Nhu cầu dược phẩm toàn cầu là mức không hạn chế Mở rộng hệ thống biểu hiện

có vi khuẩn , mặc dù khả thi đối với một số sản phẩm điều trị, nhưng không phải là một lựa chọn thỏa đáng trên nhiều cơ sở.Nhiều protein quan tâm là quá phức tạp để được thực hiện bằng hệ vi

sinh vật hoặc bằng cách tổng hợp protein

Ðộng vật: Những protein được hiện đang được sản xuất trong nuôi cấy tế bào động vật , nhưng

các sản phẩm kết quả là thường tốn kém cho nhiều bệnh nhân Đối với những lý do này, khoa học đã khám phá các tùy chọn khác để sản xuất protein của giá trị điều trị

Tổng hợp hóa học: sử dụng các chất hóa học tổng hợp sẽ không an toàn cho người điều chế và

quá trình này thải ra ngoài môi trường các loại hóa chất lam ô nhiễm môi trường, tổng hợp các phân tử protein rất nhỏ, ít hơn 30 amino acid Hầu như tất cả các protein của giá trị điều trị lớn hơn này và yêu cầu các tế bào sống để sản xuất chúng

Đối với những lý do này, khoa học đã nghiên cứu các hệ thống biểu hiện khác để sản xuất protein, các hoạt chất dược học đó là cây trồng chuyển gen phục vụ sản xuất dược phẩm

Các loại cây trồng dược phẩm có thể trở thành vô cùng có lợi ở các nước đang phát triển Tổ chức Y tế Thế giới ước tính rằng gần 3 triệu người chết mỗi năm do bệnh vắc-xin phòng ngừa được, chủ yếu là ở châu Phi Bệnh như bệnh sởi và viêm gan dẫn đến tử vong ở các quốc gia nơi

mà người dân không thể đủ khả năng chi phí cao của vắc-xin, nhưng cây trồng chuyển gen phục

vụ sản xuất dược phẩm có thể giúp giải quyết vấn đề này

Bảng so sánh các hệ thống biểu hiện

protein ở các hệ thống sông

Các hệ

thống

Nấm Vi khuẩn Thực vật

chuyển gen

Nuôi cấy tế bào động vật

Động vật chuyển gen

Chi phí

duy trì

Không tốn kém

Không tốn kém

Không tốn kém

Điều kiện

lưu giữ

-2 o C -2 o C T o phòng Có N 2 Chưa có

thông tin Kích cỡ

gene

chuyển

nạp

Chưa có thông tin

Chưa có thông tin

Không hạn chế

Hạn chế Hạn chế

Chi phí

sản xuất

Trung bình Trung bình Thấp cao cao

14

2.2.Nhược điểm

Khó tinh sạch và chiết tách: Thực ra việc sản xuất protein trong thực vật dễ dàng nhưng tinh

sạch và chiết tách protein ở mô thực vật là vô cùng khó khăn, giá thành cao

= > Giải pháp : Một pp mới được Raskin và cộng sự năm 1999 đưa ra là: Những gen được gắn

với protein được gắn với promoter và đản bảo cho promoter chỉ được tổng hợp ở rễ Tiếp theo protein tạo thành có 1 hệ thống tín hiệu đảm bảo cho nó được vận chuyển vào một vị trí xác định trong cell Trong trường hợp đặc biệt protein được vận chuyển vào màng lưới nội chất,protein đi vào lnc và có thể được thải ra ngoài và chỉ ở vùng rễ vì promoter chỉ đặc hiệu cho vùng này Người ta dùng muối để tách protein 1 cách dễ dàng với giá thành hợp lí

2.Thực phẩm vacxin có thể bị lẫn vào trong thực phẩm trong siêu thị hoặc cửa hàng thì hậu quả sẽ khôn lường

=> Giải pháp: nghiên cứu trong lĩnh vực này hiện nay tập trung vào các loại cây trồng

phi lương thực mà vắc-xin sau đó tinh sạch và đóng gói như là một viên thuốc hoặc viên nang

Sự phát triển của một loại vắcxin đường uống, đóng gói như là một viên thuốc hoặc viên nang

Nó cho phép phân phối rộng hơn và lưu trữ dễ dàng hơn của sản phẩm Kết quả là, các nước đang phát triển sẽ có khả năng phân phối vắc-xin rất cần thiết là không thực tế trong một hình thức chất lỏng, trong đó yêu cầu làm lạnh hoặc phải được quản lý thông qua tiêm

3 Không phục vụ chuỗi thức ăn dù mất 1 diện tích đất canh tác lớn

2.3.Ví dụ về cây trồng chuyển gen phục vụ sản xuất dược phẩm

 Thuốc lá chuyển gen để tạo thuốc trị các bệnh tự miễn dịch và dễ bị viêm bao gồm luôn

cả bệnh tiểu đường

Thuốc lá từ lâu đã được biết là không có lợi cho sức khỏe, nhưng hiện nay các nhà khoa học vừa thành công trong một nghiên cứu thử nghiệm sử dụng cây thuốc lá chuyển gen để tạo thuốc trị các bệnh tự miễn dịch và dễ bị viêm bao gồm luôn cả bệnh tiểu đường

Một nhóm nghiên cứu lớn thuộc một vài tổ chức nghiên cứu Châu âu đã tham gia vào một phần của dự án Pharma-Planta Dẫn đầu nhóm nghiên cứu là giáo sư Mario Pezzotti của đại học Verona, nhóm bắt đầu tạo cây thuốc lá chuyển gen có khả năng sản xuất ra interleukin có hoạt tính sinh học (IL-10), một loại cytokine có khả năng chống viêm Họ thử 2 loại IL-10 có nguồn gốc khác nhau (một từ virus và 1 từ chuột) và cuối cùng là tái sinh cây chuyển gen để xem loại nào hoạt động hiệu quả nhất

Kết quả là cây thuốc lá chuyển gen có thể sản xuất tất cả các dạng của IL-10, tạo ra cytokine có hoạt tính ở nồng độ đủ cao, điều này chứng tỏ là chúng ta có thể sử dụng lá thuốc lá mà không cần phải thông qua các quá trình tách chiết hay tinh sạch dài hơi Bước kế tiếp trong dự án là sẽ tiến hành thử nghiệm tác dụng thuốc lá chuyển gen sản sinh IL-10 trên chuột: cho chuột bị nhiễm bệnh tự miễn dịch ăn thuốc lá chuyển gen với mục đích là tìm hiểu xem hiệu quả tác động của chúng ra làm sao

Các tác giả rất hài lòng khi sử dụng thực vật để xem xét nếu liều lượng thuốc cần dùng mỗi lần ở lượng thấp và dùng lặp đi lặp lại liệu có giúp ngăn ngừa bệnh tiểu đường mellitus loại 1 (T1DM) (cùng sử dụng phối hợp với các tự kháng nguyên khác) hay không Nhóm thu được một số lượng lớn các tự kháng nguyên – đồng dạng 65kDa của enzyme glutamic acid decarboxylase

(GAD65)- đều là sản phẩm được do thuốc lá chuyển gen tạo ra

Theo Pezzotti, “thực vật chuyển gen là hệ thống hấp dẫn để sản xuất các protein chữa bệnh bởi vì chúng cho phép sản xuất số lượng lớn, giá rẻ và yêu cầu bảo quản thấp Sự thật là chúng có thể

ăn được, chế biến thành thuốc nếu cần, do đó tránh các quá trình tinh sạch dài lê thê, đây là 1 ưu điểm của nó khi so sánh với các thuốc tổng hợp truyền thống

 Thuốc lá biến đổi gene giúp chống bệnh dại

Chi phí sản xuất các loại kháng sinh chữa bệnh dại tại các nước đang phát triển rất lớn nên đôi khi ngay cả người giàu cũng không thể tiếp cận những biện pháp điều trị bệnh dại tiên tiến nhất

Vì thế, giảm chi phí sản xuất kháng sinh chống bệnh dại để nhiều người có thể tiếp cận những phương pháp điều trị tiên tiến là giải pháp tối ưu và lâu dài đối với các nước nghèo

Những cây thuốc lá biến đổi gene có thể trở thành

vũ khí hiệu quả trong hoạt động điều trị bệnh dại

Leonard Both, một chuyên gia về miễn dịch tế bào của Đại học London tại Anh, cùng các đồng nghiệp đã gây đột biến gene của cây thuốc lá để chúng sản xuất một loại kháng sinh trong lá Loại kháng sinh này, được tạo nên bởi một số loại đường và protein, có khả năng ngăn chặn sự di chuyển của virus dại tới hệ thần kinh của người Thậm chí nó còn ngăn cản virus tiếp xúc với những dây thần kinh xung quanh vết cắn của động vật nhiễm bệnh dại, Science Daily đưa tin

"Nếu người nhiễm virus dại không được điều trị kịp thời, khả năng tử vong của họ là gần 100% Sản xuất kháng sinh rẻ tiền từ thực vật biến đổi gene là giải pháp tối ưu để ngăn chặn bệnh dại trong những gia đình nghèo ở các nước đang phát triển", Both nói

Bệnh dại, do virus dại gây nên, là bệnh truyền nhiễm virus cấp tính của hệ thần kinh trung ương dẫn đến tử vong chắc chắn Loài người đã ghi nhận sự tồn tại của bệnh dại từ 3.000 năm trước Ngày nay, hàng năm bệnh dại vẫn tiếp tục giết hàng nghìn người tại các nước đang phát triển và

có thể tấn công những khách du lịch quốc tế Virus từ những con vật mắc bệnh dại (như chó) truyền sang người khi động vật cắn người

 Phát triển thuốc chữa sốt rét từ cây thuốc lá

Cây thuốc lá có thể được biến đổi gen để sản sinh ra artemisin, một thành phần hoạt hóa điều trị bệnh sốt rét

Các nhà khoa học tại Đại học Hebrew, Israel đã phát triển cây thuốc lá biến đổi gen chứa hợp chất tự nhiên có thể đánh bại sốt rét kháng thuốc

Mặc dù thuốc lá được cho là nguyên nhân cướp đi sinh mạng của hàng triệu người trên thế giới mỗi năm song giáo sư Alexander Vainstein và các đồng nghiệp đã phát hiện thấy cây thuốc lá có thể được biến đổi gen để sản sinh ra artemisin, một thành phần hoạt hóa điều trị bệnh sốt rét Artemisin hợp chất tự nhiên được chiết xuất từ cây ngải tây và có thể đánh bại sốt rét kháng thuốc song vì khối lượng của nó nhỏ nên giá thành cao khiến hàng triệu người không thể tiếp cận được với phác đồ điều trị này

Tuy nhiên, Vainstein và các đồng nghiệp đã ghép các enzym có thể sản sinh artemisin của cây ngải tây vào cây thuốc lá giống mang mã di truyền của artemisin