Laboratorio de Molecular Farming y Vacunas

La agricultura molecular (del inglés, Molecular Farming) se refiere a la producción de proteínas recombinantes en las plantas (incluyendo productos farmacéuticos y proteínas industriales y otros metabolitos secundarios). Entre los años 1986 y 1989 se produjeron en plantas genéticamente modificadas (transgénicas) la primera proteína recombinante de interés farmacéutico (la hormona del crecimiento humana) y el primer anticuerpo recombinante. Sin embargo, recién en 1997 se expresó la primera proteína recombinante comercial, la avidina (una proteína de huevo de pollo) expresada en maíz transgénico. Estos hallazgos demostraron que las plantas podían transformarse en bio-fábricas para la producción a gran escala de proteínas recombinantes. Con los años quedó demostrado que las plantas tienen la capacidad para producir proteínas complejas funcionalmente activas de mamíferos o de otros organismos eucariotas con actividad terapéutica, tales como proteínas de suero humano y reguladores de crecimiento, vacunas, hormonas, citoquinas, enzimas y anticuerpos. Esto fue posible debido a la capacidad de las plantas de realizar modificaciones post-traduccionales que hacen que estas proteínas recombinantes se plieguen correctamente y mantengan su integridad estructural y funcional. Es así, que actualmente, existe a nivel mundial un incremento en el interés para la exploración del uso de las plantas como bio-fábricas para la producción de fármacos, antígenos vacunales, suplementos alimenticios, biopolímeros y biocombustibles.

Uno de los grandes retos para la explotación comercial de las plantas como plataforma de producción y que ha despertado el mayor interés en el ambiente académico se refiere a mejorar los rendimientos de producción de las proteínas recombinantes expresadas en plantas. La degradación de las proteínas recombinantes por la acción de proteasas debido a síntesis imperfecta o por falta de procesamiento de ésta puede afectar fuertemente sobre los niveles de acumulación detectados.  Por lo tanto, la estabilidad de la proteína recombinante es considerada el factor más importante que limita los rendimientos en la agricultura molecular.

Las proteínas de choque térmico de 90-kDa son proteínas solubles que se expresan en todas las células de un organismo alcanzando niveles entre el 1 y el 2 % de las proteínas totales solubles, lo que las ubica entre las proteínas solubles más abundantes. La principal función de todas las proteínas Hsp90 está relaciona con su participación en el correcto plegado durante la síntesis de nuevo de ciertas proteínas, así como en el re-plegado de aquellas proteínas desnaturalizadas o parcialmente desnaturalizadas. En este sentido, nosotros proponemos a las proteínas Hsp90 como acarreadoras de proteínas heterólogas expresadas en plantas para garantizar una alta expresión y un correcto plegado de la proteína recombinante sin que ésta forme agregados insolubles. Sobre esta premisa es que en el laboratorio estamos desarrollando una plataforma basada en el uso de plantas de tabaco y lechuga para la producción de proteínas de interés vacunal combinado con la expresión de proteínas denominadas “chaperonas” como estrategia para mejorar la expresión de proteínas de interés en plantas.

Otra alternativa para disminuir la degradación de la proteína recombinante por la acción de las proteasas es co-expresar la proteína recombinante con proteínas inhibidoras de proteasas. Además, se ha observado que la sobre expresión de inhibidores de proteasa pueden contribuir en la resistencia de la planta a ciertos patógenos. A la fecha se han identificado diferentes tipos de inhibidores de serin proteasas asociados a varios tipos de procesos fisiológicos de la planta, los cuales incluyen mecanismos de defensa contra patógenos. Los inhibidores de serin proteasas tipo Kazal que están incluidos dentro de la familia de los inhibidores de serin proteasas están presentes en muchos organismos. Estas proteínas juegan un papel regulatorio en procesos que involucran serin proteasas tipo tripsina, quimotripsina, trombina, elastasa y/o subtilisina. Aunque los inhibidores de serin proteasas tipo Kazal también se han identificado en plantas, poco se conoce sobre sus funciones en estos organismos. En base a estos antecedentes, en el laboratorio estamos explorando las diferentes aplicaciones biotecnológicas de las proteínas inhibidoras de proteasas tipo Kazal de plantas y parásitos.

En los últimos años, se ha reconocido la importancia y el rol central de las proteínas Hsp90 en la modulación del sistema inmune como respuesta a infecciones y procesos tumorales. Además, varios trabajos demostraron que al fusionar las proteínas Hsp90 a diversos péptidos o proteínas provenientes de patógenos, éstas incrementan la respuesta humoral y celular contra dichos péptidos actuando como adyuvantes. Bajo la idea de que esta función adyuvante es compartida por las proteínas Hsp90 de diferentes organismos, es que en el laboratorio estamos llevando a cabo la caracterización de las propiedades inmunomoduladoras de diferentes isoformas de la familia de las Hsp90 vegetales utilizando los modelos de infección por Toxoplasma gondii (agente causal de la toxoplasmosis) y Neospora caninum (agente causal de la neosporosis). Asimismo, estamos realizando estudios comparativos entre diferentes isoformas para conocer las similitudes y diferencias en sus respectivos roles sobre la modulación de la respuesta inmune, y de este modo establecer las ventajas y desventajas de emplear una u otra isoforma como adyuvante vacunal.

Además, en el laboratorio estamos explorando el uso de las proteínas Hsp90 de plantas en el desarrollo de vacunas DIVA. Este tipo de vacunas son utilizadas en diferentes enfermedades animales donde se requiere el manejo o la eliminación de una enfermedad en una región en particular ya que permite distinguir a los animales infectados de los animales vacunados. Por lo tanto, el uso de las proteínas Hsp90 como acompañantes de la proteína de interés le confiere a nuestra plataforma de producción un valor adicional ya que permite que las proteínas producidas bajo nuestro sistema lleven una marca positiva que podrá ser identificativa de los animales vacunados. Este diseño podrá incorporarse a las formulaciones vacunales sobre todo en aquellas que requieran de un seguimiento de vacunación.

Mendoza Morales LF, Lagorio V, Corigliano MG, Sánchez-López E, Ramos Duarte VA, Legarralde A, Ganuza A, Clemente M, Sander VA. Dysfunction, oxidative stress markers, and cytokine expression in the placentae of mice experimentally infected with Neospora caninum. Parasitology Research 122, 3257-3263. 2023.  https://doi.org/10.1007/s00436-023-07995-0

Contreras SM, Zambrano Siri RT, Rivera EM, Cristaldi C, Kamenetzky L, Kim K, Clemente M, Ocampo J, Vanagas L, Angel SO. Architecture, Chromatin and Gene Organization of Toxoplasma gondii Subtelomeres. Epigenomes 6, 29. 2022. https://doi.org/10.3390/epigenomes6030029

Mendoza-Morales LF, Lagorio V, Corigliano MG, Sanchez-López E, Ramos-Duarte VA, Clemente M, Sander V. Neosporosis in sheep: A systematic review and meta-analysis of global seroprevalence and related risk factors. Acta Tropica 233, 106569. 2022. https://doi.org/10.1016/j.actatropica.2022.106569

Rivera EM, Moscatelli G, Ballering G, Ganuza A, Alonso AM, Moroni S, Clemente M, Altcheh J, Angel SO. Evaluation of Toxoplasma gondii recombinant antigens for early diagnosis of congenital toxoplasmosis. Diagnostic Microbiology and Infectious Disease 102, 115608. 2022. https://doi.org/10.1016/j.diagmicrobio.2021.115608

Corigliano MG, Sander VA, Sanchez López EF, Ramos Duarte VA, Mendoza Morales LF, Angel SO, Clemente M. Heat Shock Proteins 90 kDa: Immunomodulators and adjuvants in vaccine design against infectious diseases. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 8, 622186.2021  https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.622186

Sánchez-López EF, Corigliano MG, Oliferuk S, Ramos-Duarte VA, Rivera M, Mendoza-Morales LF, Angel SO, Sander VA, Clemente M. Oral immunization with a plant HSP90-SAG1 fusion protein produced in Tobacco elicits strong immune responses and reduces cyst Number and clinical signs of Toxoplasmosis in mice. Frontiers in Plant Science 12, 726910.  2021. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.726910

Sander VA, Sánchez López EF, Mendoza Morales L, Ramos Duarte VA, Corigliano MG, Clemente M.Use of Veterinary Vaccines for Livestock as a Strategy to Control Foodborne Parasitic Diseases.  Front Cell Infect Microbiol. 2020 Jun 26;10:288. doi: 10.3389/fcimb.2020.00288. eCollection 2020

Vilas JM, Corigliano MG, Clemente M, Maiale S, Rodriguez AA. Close relationship between the state of the oxygen evolving complex and rice cold stress tolerance. Plant Sci 296, 110488. 2020. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2020.110488

Bengoa-Luoni SA, Corigliano MG, Sánchez-López E, Albarracín RM, Legarralde A, Ganuza A, Clemente M, Sander VA. The potential of a DIVA-like recombinant vaccine composed by rNcSAG1 and rAtHsp81.2 against vertical transmission in a mouse model of congenital neosporosis. Acta Trop. 198: 105094. 2019. https://doi.org/10.1016/j.actatropica.2019.105094

Clemente M, Corigliano MG, Pariani SA, Sánchez-López EF, Sander VA, Ramos-Duarte VA. Plant serine protease inhibitors: Biotechnology application in agriculture and molecular farming. Int J Mol Sci.; 20: e1345. 2019. https://doi.org/10.3390/ijms20061345

Corigliano MG, Albarracín RM, Vilas JM, Sanches López EF, Bengoa Luoni SA, Deng B, Farran I, veramendi J, Maiale SJ, Sander VA, Clemente M.  Heat treatment alleviates the growth and photosynthetic impairment of transplastomic plants expressing Leishmania infantum Hsp83-Toxoplasma gondii SAG1 fusion protein. Plant Sci. 284: 117-116. 2019. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2019.04.011

Sánchez-López EF, Corigliano MG, Albarracín RM, Sander VA, Legarralde A, Bengoa-Luoni SA, Clemente M. Plant Hsp90 is a novel adjuvant that elicits a strong humoral and cellular immune response against B- and T-cell epitopes of a Toxoplasma gondii SAG1 peptide. Parasit Vectors. 12: 140. 2019. https://doi.org/10.1186/s13071-019-3362-6

Sander VA, Corigliano MG, Clemente M. Promising plant-derived adjuvants in the development of coccidial vaccines. Front Vet Sci. 6: 20. 2019. https://doi.org/10.33 89/fvets.2019.00020