Teelt van GGO s voor non-food toepassingen

Teelt van GGO‟s voor non-food toepassingen

Bart Van Droogenbroeck

ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

1

Opbouw presentatie • Inleiding – Drie generaties GGO‟s • Derde generatie: planten als bioreactor 1. Niet-eiwit moleculen

2. Waardevolle eiwitten

• Conclusies


2

Inleiding - Drie generaties GGOs… Eerste generatie GMOs – food biotech „Input characteristics‟ – voordeel voor boer, teler GMOs die nu in het veld staan (>114 mio ha) (Monsanto, Bayer, Syngenta…)

Evolutie GM areaal (miljoen ha)

Typische vbn. - Bt mais - insectenresistentie - Roundup Ready soja - herbicidenresistentie


3

Inleiding - Drie generaties GGOs… Tweede generatie GMOs – food & beetje non-food biotech „Output characteristics‟ – voordeel voor producent & consument Focus op voedsel/voeder met betere voedingswaarde, kwaliteit of verwerkingsmogelijkheden Talrijke GM planten in ontwikkeling – evaluatie in veldproeven gestart (BASF, Dupont, Monsanto…)

Typische vbn. - Golden Rice – rijst met verhoogde proVit A gehalte Tekort = verzwakt immuun systeem, blindheid - Omega-3 uit GM planten ipv uit visolie


4

Inleiding - Drie generaties GGOs… Tweede generatie GMOs – food

& beetje non-food biotech

„Output characteristics‟ – voordeel voor producent & consument Ander vb. Nieuwe bloemkleur in sierteeltgewassen

- Gerichte uitschakeling van „kleurgenen‟ van roos – rood tot wit - Toevoegen van „kleurgenen‟ van iris  Resultaat = eerste „blauwe‟ roos (Florigene Ltd.)


Inleiding - Drie generaties GGOs… Tweede generatie GMOs – food

& beetje non-food biotech

„Output characteristics‟ – voordeel voor producent & consument Ander vb. Nieuwe bloemkleur in sierteeltgewassen Nieuwe gradaties van een blauwe bloemkleur in GMO anjers

© Florigene Ltd.

Maar ook ziekteresistentie, langere houdbaarheid, sterkere geur, vorstbestendig … ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

6

Inleiding - Drie generaties GGOs… Derde generatie GMOs – non-food De plant als fabriek, bioreactor - voordeel voor consument Molecular Farming: “De efficiënte productie van commercieel waardevolle moleculen in speciaal voor dit doel genetisch gemodificeerde planten” Talrijke producten in pijplijn – eerste naderen commercialisering


7



• Conclusies


8

Planten als bioreactor Planten zijn al eeuwen bron van natuurlijke waardevolle moleculen, bvb. gebruikt als geneesmiddel.

Taxol uit taxus Kanker

Morfine uit papaver Pijnstiller

Artemisinine uit Artemisia Malaria

Dankzij recombinante DNA technieken en verdere ontwikkeling van de plantenbiotechnologie…

…kunnen planten ‘nieuwe’ waardevolle moleculen produceren … … en zo door innovatie een hogere toegevoegde waarde en diversificatie in plantenteelt mogelijk maken ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

9

Planten als bioreactor Opsplitsing volgens eindproduct: 1. GM gewassen voor productie van niet-eiwit moleculen -Bio-brandstoffen -Bio-materialen & grondstoffen -...

2. GM gewassen voor productie van waardevolle eiwitten - Biomaterialen - Industriële enzymen - Veevoederadditieven etc. - Bio-farmaceuticals - ...


10



• Conclusies


11

Planten als bioreactor 1. Niet-eiwit moleculen: Bio-brandstoffen bio-ethanol, bio-diesel, bio-gas …

Eerste generatie = op basis van voedselgewassen o.a. tarwe, maïs, soja, koolzaad, zonnebloem en palmolie  Stijgende voedselprijzen….

Tweede generatie = op basis van niet-voedsel gewassen en nevenstromen, afvalstoffen o.a. stro, maïskolven, zaagsel, groenafval, grassen, algen... Voor meer details zie Ghent Bioenergy Valley: http://www.gbev.org ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

12

Planten als bioreactor 1. Niet-eiwit moleculen: Bio-brandstoffen Alle bedrijven die trangene planten produceren, investeren in GM (zaad)gewassen voor de productie van bio-ethanol and biodiesel (Syngenta, Monsanto, Dupont, Dow, Bayer, BASF…) : • Verhoogde zaadopbrengst van koolzaad  meer biodiesel/ha gewas • GM suikerriet: 15 % meer sucrose  meer bio-ethanol /ha gewas • Creatie van GM low-input, droogte-resistente, niet-voedingsgewassen voor bio-brandstof productie  benutting van onvruchtbare grond (Australië, Afrika…) ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

13

Planten als bioreactor 1. Niet-eiwit moleculen: Bio-materialen Vb. 1 Bio-plastics – biologisch afbreekbaar - poly-hydroxy-alkanoaat & -butyraat (PHA, PHB), poly-lactic acid (PLA) …  alternatieven voor chemisch gesynthetiseerde, niet-afbreekbare plastics

GM gewassen voor bio-plastics: Bevatten genen van micro-organismen die van nature de grondstoffen voor plastics maken  alternatief voor microbiële fermentatie

PHA in bacterie ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

PHB in plantencel 14

Planten als bioreactor 1. Niet-eiwit moleculen: Grondstoffen Vb. 2 Zetmeel uit transgene planten Zeer divers gebruik: • voedingsindustrie: drager, opvulling, verdikker… • hernieuwbare grondstof voor chemische, papier en verpakkingsindustrie

Natuurlijk zetmeel = amylopectine (80%) + amylose Mix = probleem voor processing industrie – scheiding duur

 Amflora = GGO aardappel met 98% amylopectine – amylose gen uitgeschakeld (BASF)


15

Planten als bioreactor 1. Niet-eiwit moleculen: Grondstoffen Vb. 2 Zetmeel uit transgene planten – non-food toepassingen Productie van papier, textiel en lijm - alleen amylopectine nodig Aanvraag: 04/2005 EFSA advies: 07/2005 EU Besluit: 10/2007 en 02/2008 – geen meerderheid Goedkeuring verwacht ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

16



• Conclusies


17

Planten als bioreactor 2. Waardevolle eiwitten - inleiding „Hernieuwde‟ interesse in planten voor recombinante eiwitproductie Problemen gangbare productiesystemen: • microbiële fermentoren: enkel „eenvoudige‟ eiwitten (insuline, groeihormoon…), kostprijs fermentoren … • dierlijke celculturen: dure media en infrastructuur, bio-veiligheid producten, vrees voor „Capacity crunch‟


18

Planten als bioreactor 2. Waardevolle eiwitten - inleiding Specifieke voordelen t.o.v. bestaande systemen • Planten kunnen complexe eiwitten maken • Productie op grote schaal is goedkoper  Geen fermentoren, steriele condities, dure media

• Gebruik van bestaande kennis & infrastructuur • Flexibele en ongelimiteerde opschaling • Veiliger - geen gevaar voor contaminatie met menselijke pathogenen, bacteriële toxines

 Transgene planten = efficiënte bioreactoren voor de productie van waardevolle eiwitten ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

19

Planten als bioreactor 2. Waardevolle eiwitten - inleiding Aandachtspunten •

Expressieniveaus - lage opbrengst • Glycosylatie - productkwaliteit • Opzuivering - downstream processing • Wetgeving • Publieke opinie GGO


20

Planten als bioreactor Diverse productiesystemen (1)

Bladgewassen - Verkorte teeltcyclus, snel (herhaald) oogsten - Hoge biomassa opbrengst

Belangrijkste bladgewassen: - tabak, luzerne, sla, spinazie, Arabidopsis …

Bedrijven - Planet Biotechnology Inc. - tabak- CaroRx – sIgA - tandplak http://www.planetbiotechnology.com - VS

- Medicago Inc. – luzerne – VLP – H5N1 vogelgriep vaccin http://www.medicago.com - Canada


21

Planten als bioreactor Diverse productiesystemen (2) Zaden Natuurlijk opslagorgaan: - eenvoudige eiwitsamenstelling - hoge concentratie aan eiwit in kleine biomassa - stabiele omgeving – opslag op lange termijn

Belangrijkste zaadgewassen: - maïs, tarwe, rijst, erwten, saffloer, Arabidopsis … Bedrijven - Meristem Therapeutics – maïs – Merispase – mucoviscidose http://www.meristem-therapeutics.com - Frankrijk

- Sembiosys – saffloer – Insuline – diabetes http://www.sembiosys.com- Canada


22

Planten als bioreactor Diverse productiesystemen (3) Gesloten bioreactoren Naar analogie met bacteriële fermentoren en dierlijke celculturen

Belangrijkste bioreactoren - plantencelculturen, mos, eendekroos, huttentut …

Bedrijven - Protalix– wortelcelcultuur – Glucocerebrosidase – Gaucher Disease http://www.protalix.com - Israël

- Biolex Inc.– eendekroos – Locteron™ – Hepatitis C http://www.biolex.com- VS

- Greenovation – mos – diverse antilichamen - http://www.greenovation.com - Duistland ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

23

Planten als bioreactor 2. Waardevolle eiwitten: Bio-materialen – Industriële enzymen

Vb. 1 Spinrag, zijde uit transgene planten (Dupont) 5x sterker dan staal, dubbel zo elastisch als nylon, waterproof en rekbaar – vele toepassingen: textiel & bouw  Design GM gewas ifv gewenste eisen van eiwitpolymeer

Vb. 2 Recombinant laccase uit rijstkorrels (CropDesign – BASF) Milieuvriendelijk enzyme met toepassingen in textiel, papier en voedingsindustrie, bioremediatie

Talrijke andere enzymen voor waspoeders, bleaching in textielindustrie, voedselbereiding, bio-energieproductie … ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

24

Planten als bioreactor 2. Waardevolle eiwitten: additieven veevoeder - Maïskorrels die een hoog gehalte aan fytase bevatten  Verbeterde fosforopname uit voeder + reductie P vervuiling

- LY308, een maïslijn met verhoogd lysine gehalte in korrels  Verbeterde voederwaarde en eiwitproductie

25


Planten als bioreactor 2. Waardevolle eiwitten: diergeneeskundige toepassingen - Novoplant (http://www.novoplant.de): “Novoplant is a developer of recombinant biologics, especially antibody fragments, as drugs for animal health utilizing plant production platforms.” Vb.: Expressie van antilichaamfragmenten in erwten ter bestrijding van ETECs bij varkens – passieve immunisatie via voeder = alternatief voor antibiotica

26


Planten als bioreactor 2. Waardevolle eiwitten: diergeneeskundige toepassingen Vaccin tegen pseudovogelpest bij kippen uit tabak celcultuur (DOW Agrosciences)

Milestone: Goedkeuring door USDA van eerste plant-geproduceerd vaccin voor diergeneeskunde (Jan 2006)


27

Planten als bioreactor 2. Waardevolle eiwitten: bio-farmaceuticals Eiwitten met de hoogste toegevoegde waarde Commercieel gezien meest interessant Antilichamen, vaccins, enzymen ……. Doorbraken: - Humane klinische testen met plant-geproduceerd insuline (2007), commercialisatie in 2010 Eerste product?! - http://www.sembiosys.com

- Plant- geproduceerd antilichaam dat efficienter werkt dan klassiek-geproduceerd antilichaam CHO cellen (Cox et al. 2006 Nature Biotech)


28

Planten als bioreactor 2. Waardevolle eiwitten: bio-farmaceuticals Focus op antilichamen als target eiwitten: •

Snelst groeiende klasse therapeutische eiwitten – 25% biotech eiwit

•

Brede range van toepassingen – onderzoek, diagnose, therapie

•

Behandeling kan grote hoeveelheden vragen ( # gram/patiënt/dag)

•

Onmogelijk - moeilijk in microbiële fermentoren, duur in zoogdier celculturen

•

Complexe eiwitten met hoge kostprijs = hoge toegevoegde waarde!

IgG

Secretorisch IgA


29

Na 370 veldproeven (USA, Canada) ondergaan er momenteel 16 PlantMade-Pharmaceuticals klinische testen: commercialisatie nadert!

Ma et al. 2005 Embo J.


30

Ontwikkelingen in EU

Meristem Therapeutics, Frankrijk Productie van enzymen en antilichamen voor humane therapie in maïskorrels http://www.meristem-therapeutics.com

2005-2009 : Pharma-Planta project: groot EU consortium Productie van neutraliserend anti-HIV antilichaam in tabak/maïs Gebruik: Vaginale crème als microbicide http://www.pharma-planta.org ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

31

Planten als bioreactor Bioveiligheid • Plant-made (therapeutic) proteins (PMPs) moeten net zoals andere medicijnen getest worden in in clinical trials – duur, veel tijd nodig

Phase I = safety and tolerance (20-80 persons) Phase II = clinical efficacy of the therapy (20-300 persons) Phase III = definitive assessment of efficacy + comparison with current 'Gold Standard' treatment (300-3000) Phase IV = post-launch safety surveillance ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

Planten als bioreactor Bioveiligheid

• EFSA en EMEA werken nieuwe regeling uit in samenspraak met de onderzoekers – EFSA = European Food Safety Authority – 1ste generatie GGOs – EMEA = European Medicines Agency – nieuwe regels 2de en 3de generatie


Onderzoek


34

Fundamenteel onderzoek Hoe hoog niveau van zaad-specifieke expressie realiseren?  genetische informatie van zaadopslageiwitten (SSPs)

Expressie cassette: Regulatorische sequenties van 2 SSPs van Phaseolus vulgaris (boon): - Arcelin5I: 2 genen/haploïd genoom - 30-40% van totale zaadeiwit - -phaseolin: 7-9 genen/haploïd genoom - 60% van totale zaadeiwit

Zaad-specifieke promotor en regulatorische sequenties van boon

LB

RB Sel Pnos

GOI 3´ocs

Pphas arc5I leader

3´ arc5I


35

Fundamenteel onderzoek Expressie in zaden van Arabidopsis thaliana – zandraket (Brassicaceae) Waarom Arabidopsis? = modelplant, de ‘muis‟ van de plantkundigen: – Genoom volledig gesekweneerd – Veel info en mutanten beschikbaar – Makkelijk te transformeren via „Floral dip‟ – Klein, flexibel, makkelijk handelbaar – Zeer korte cyclus – van zaad tot zaad 6-8 weken

 Ideaal voor „Proof-of concept‟ studie en als model voor dicotyle zaadgewassen


36

Fundamenteel onderzoek Expressie van antilichaam fragmenten (1) Initiële studies met eenvoudige fragmenten = scFv De Jaeger et al. 2002 Nature Biotechnology

Kleine molecule die antigen kan herkennen, geschikt voor fusie met ander eiwit VH CH1 CL CH2 CH3

VL

VH

VL

scFv

Normaal IgG ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

37

Fundamenteel onderzoek

scFv

 Accumulatie tot meer dan 4% van het zaadgewicht Hoogste niveaus gerapporteerd, 10x hoger vele platformen  Antigen binding ok ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

38

Fundamenteel onderzoek Expressie van antilichaam fragmenten (2) Recent afgeronde studie met complexer antilichaamformaat = scFv-Fc Van Droogenbroeck et al. 2007 PNAS

Verhoogde stabiliteit en levensduur , makkelijker op te zuiveren en dimeriseert in planta tot IgG-achtige structuur

VH CH1 CL CH2 CH3

Natural IgG

VH

VL

VL CH2 CH3

scFv-Fc Dimerized scFv-Fc ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

39

Fundamenteel onderzoek Modelplant: Zandraket Arabidopsis thaliana Transgene Arabidopsis kDa

M

WT 1

2

3

31

32

250 150 100 75

33

VH

VL

CH2

50

CH3 37

scFv-Fc

25

 Accumulatie tot meer dan 2% van het zaadgewicht ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

40

Fundamenteel onderzoek

→ Antigen binding is OK → Virus neutralisatie is OK

 Bivalente, IgG-achtige scFv-Fc uit zaden zijn volledig functioneel  Bruikbaar in diagnose en preventie Hepatitis A infectie ILVO - Technologie en Voeding http://www.ilvo.vlaanderen.be/T&V

41

Conclusies - Wetenschap/technologie staan zeer ver - Wetgeving: duur, complex, vraagt veel tijd - grote spelers - Bepaalde toepassingen zitten op raakvlak van verschillende domeinen: voedsel/gezondheid - Kansen voor Vlaanderen in ontwikkelen en produceren van nonfood gewassen/producten die kunnen leiden tot innovatie & diversificatie in diverse sectoren.


42

Vragen?

Contact details Dr. Ir. Bart Van Droogenbroeck [email protected] Instituut voor Landbouw en Visserij-onderzoek (ILVO) Onderzoeksinstelling van de Vlaamse Overheid – Departement Lanbouw en Visserij Eenheid Technologie en Voeding (T&V) Onderzoeksdomein Productkwaliteit en -innovatie Burg. Van Gansberghelaan 115 bus 2 9820 Merelbeke, BELGIUM tel. +32(0)9 272 28 39 fax. +32(0)9 272 28 01 http://www.ilvo.vlaanderen.be


43

Teelt van GGO s voor non-food toepassingen

Recommend Documents