Trasformare una pianta in un impianto di produzione di anticorpi e progettare la struttura che la ospita con i criteri di una linea industriale: modularità, automazione, controllo delle condizioni di crescita. È l’approccio utilizzato in PharmaGreen, l’impianto pilota per la produzione rapida e a basso costo di biofarmaci che Enea ha inaugurato al Centro Ricerche Casaccia, a Roma. La “biofabbrica” scelta è una pianta di tabacco selvatico, la Nicotiana benthamiana. Entriamo nei dettagli.
L’infrastruttura sperimentale nasce all’interno di Pan-Hub, progetto finanziato dal ministero della Salute che riunisce 19 partner tra enti pubblici e soggetti privati. Il quadro di riferimento è la strategia nazionale ed europea per rafforzare la capacità di risposta a due minacce sanitarie distinte, le pandemie e le antibiotico-resistenze, attraverso la creazione di piattaforme innovative di ricerca e sviluppo. PharmaGreen è una di queste piattaforme: non un lab dedicato a una singola molecola, ma un sistema di produzione che può essere orientato di volta in volta verso il biofarmaco richiesto, a seconda delle istruzioni genetiche che i ricercatori trasferiscono alla pianta. A guidare il progetto per Enea è Marcello Donini, ricercatore del Laboratorio Biotecnologie Green.
Cos’è il plant molecular farming
Il plant molecular farming parte da un’idea semplice: usare l’apparato biosintetico di una pianta, anziché quello di cellule coltivate in bioreattore, per produrre molecole di interesse farmaceutico. In questo schema la scelta della specie è il primo parametro di progetto, e la Nicotiana benthamiana risponde a requisiti precisi. Si coltiva con facilità, cresce rapidamente e non è destinata al consumo alimentare. Soprattutto, le sue cellule vegetali sono particolarmente adatte a ricevere Dna esterno, caratteristica che consente di ottenere biofarmaci in modo efficiente.
Il trasferimento delle istruzioni genetiche avviene tramite agroinfiltrazione, una tecnica che sfrutta il batterio del suolo Agrobacterium tumefaciens come vettore: il microrganismo veicola nella pianta le informazioni definite dai ricercatori per la produzione del biofarmaco, senza danneggiare le cellule vegetali. Da quel momento la pianta lavora come un reattore biologico, e il ciclo produttivo si chiude in pochi giorni con la fase di estrazione, che Donini descrive così: “La pianta si trasforma in una vera e propria biofabbrica: dopo pochi giorni, si procede alla raccolta delle foglie e alla purificazione degli anticorpi, seguendo un protocollo che abbiamo messo a punto, pronti per essere utilizzati”.
Robotica e luce per standardizzare il processo
Il contenuto tecnologico dell’impianto si concentra in due ambiti. Il primo è l’automazione dell’agroinfiltrazione, il passaggio in cui le istruzioni genetiche entrano nella pianta. All’interno di PharmaGreen è stato messo a punto un sistema semi-automatizzato, realizzato anche grazie alla collaborazione con i ricercatori di robotica del dipartimento Enea di Tecnologie Energetiche e Fonti Rinnovabili. Un caso di contaminazione tra ambiti diversi, in cui le competenze di robotica maturate in un dipartimento dedicato all’energia vengono applicate a un processo biotecnologico. Il passaggio da una procedura manuale a una semi-automatizzata è uno degli elementi che distinguono un impianto pilota da un esperimento di laboratorio: è su questo terreno che si misura la possibilità di ripetere il processo con continuità e su volumi crescenti, come prefigura il modello di sviluppo descritto da Enea. Il secondo ambito riguarda le condizioni di crescita. Su questo fronte il gruppo di lavoro ha concentrato l’attenzione sull’illuminazione, trattata come una variabile di processo da ottimizzare: “Per il progetto PharmaGreen, abbiamo valutato diversi parametri di illuminazione e individuato le condizioni di luce ottimali per massimizzare la produzione di anticorpi nelle piante”, spiega Donini.
Un modello pensato per scalare
PharmaGreen è un impianto pilota, ma il modello su cui si basa è progettato per crescere. Le caratteristiche che Enea mette in evidenza sono quelle tipiche delle infrastrutture costruite per il passaggio di scala: un’architettura modulare, un elevato livello di automazione e una configurazione in vertical farm, con coltivazioni idroponiche, quindi senza suolo, disposte su più livelli. Secondo Donini, “La validazione del nostro impianto conferma le potenzialità di PharmaGreen rispetto alle piattaforme convenzionali. Inoltre, il nostro modello di plant molecular farming permetterà di realizzare impianti di dimensioni maggiori, grazie alla modularità, all’elevato grado di automatizzazione e alla configurazione in vertical farm con coltivazioni idroponiche su più livelli”.
La prospettiva indicata da Enea è anche quella della risposta alle emergenze sanitarie, in cui il fattore tempo e la capacità di attivare rapidamente la produzione diventano determinanti. Il ricercatore precisa che “Strutture di questo tipo potrebbero garantire una produzione rapida di biofarmaci in situazioni di emergenza, richiedendo investimenti sensibilmente inferiori rispetto ai sistemi tradizionali e senza ricorrere a piante geneticamente modificate”.
I vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali
Il termine di paragone sono i sistemi convenzionali basati su cellule animali. Rispetto a queste piattaforme, la produzione in pianta presenta un investimento iniziale contenuto e costi di produzione ridotti, elementi che secondo Enea la rendono particolarmente competitiva. Il secondo vantaggio è la velocità: con PharmaGreen le molecole desiderate si ottengono in circa tre settimane, un intervallo che consente di accelerare in modo significativo lo sviluppo di nuovi prodotti terapeutici. C’è poi un aspetto che riguarda il perimetro stesso di ciò che si può produrre. Le piante permettono infatti di ottenere biofarmaci che non è possibile sintetizzare nei sistemi animali, perché tossici o letali per le cellule che dovrebbero produrli: una classe di molecole che le piattaforme convenzionali, per loro natura, non sono in grado di gestire. Costi, tempi e ampiezza del catalogo producibile sono quindi le tre leve su cui Enea fonda il confronto. Sono anche, non a caso, le variabili che contano di più in uno scenario di emergenza, quando occorre avviare rapidamente la produzione di una molecola nuova senza poter contare su investimenti iniziali elevati.
Il banco di prova su Sars-CoV-2
La piattaforma è già stata messa alla prova su un caso concreto. Dall’avvio di Pan-Hub, i laboratori Enea hanno prodotto, in collaborazione con la Fondazione Toscana Life Sciences, un anticorpo ad ampio spettro in grado di neutralizzare diverse varianti del virus Sars-CoV-2, responsabile del Covid-19. I test hanno confermato che l’anticorpo ottenuto in pianta conserva la capacità di bloccare la replicazione delle varianti virali, in linea con quanto già dimostrato dai test su colture cellulari animali. Il risultato ha un valore che va oltre la singola molecola. Indica che, nel caso di questo anticorpo, il passaggio dalla cellula animale alla pianta non compromette la capacità di neutralizzare il virus: una verifica di funzionalità che rappresenta la base per valutare la piattaforma rispetto alle alternative consolidate. Su questa base PharmaGreen potrà ora produrre anticorpi nelle quantità richieste dagli studi preclinici, il passaggio successivo nel percorso che separa una piattaforma sperimentale da una capacità produttiva attivabile quando serve.
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