Rośliny przyszłości

Rośliny przyszłości. Zielone fabryki związków chemicznych zmieniają medycynę, przemysł i nasze talerze.

Od Golden Rice po fabryki światła w chloroplastach – rośliny stają się ważnymi graczami w walce o zdrowie, zrównoważony rozwój i nowe technologie. Prof. Heribert Warzecha, keynote speaker konferencji PSE 2025, opowiada, jak inżynieria roślin może zrewolucjonizować naszą przyszłość.

Dorota Sikora: Tematem konferencji PSE 2025 są badania nad naturalnymi produktami roślinnymi. Dlaczego uważa Pan, że związki te pozostają kluczowe dla zdrowia publicznego, innowacji przemysłowych i zrównoważonego rozwoju w XXI wieku? Zacznijmy od kwestii zrównoważonego rozwoju – jaką rolę odgrywają tu rośliny?

Prof. Heribert Warzecha: Jeśli chodzi o zrównoważony rozwój, co może być lepszego niż „naczynie produkcyjne”, które zasilane jest światłem słonecznym, potrzebuje jedynie wody i kilku minerałów, a niemal nie wytwarza odpadów? Tak właśnie działają rośliny – i to widać w wielu produktach pochodzenia roślinnego, z którymi mamy do czynienia na co dzień. Rośliny mogłyby wytwarzać znacznie więcej, ale aby to osiągnąć, musimy dokładnie zbadać i zrozumieć genetyczne oraz biochemiczne zasady stojące za ich niezwykłą zdolnością do produkcji złożonych związków chemicznych.

Co da nam pełniejsze zrozumienie tych mechanizmów?

Dzięki tej wiedzy powinniśmy być w stanie zaprojektować rośliny z nowymi składnikami i lepszą wydajnością w odniesieniu do interesujących nas związków, co powinno utorować drogę do większej i zrównoważonej innowacji.

Coraz częściej mówi się o roślinach jako „zielonych fabrykach związków chemicznych”. Na czym dokładnie polega ich przewaga nad klasycznymi metodami syntezy chemicznej i fermentacji mikrobiologicznej?

Prawdę mówiąc, otrzymywanie związków chemicznych z roślin jest metodą klasyczną. Przez długi czas organizmy żywe były jedynym źródłem barwników, substancji zapachowych czy leków. Dopiero w XIX wieku synteza chemiczna, głównie z produktów petrochemicznych, stała się możliwa na dużą skalę i w dużej mierze zastąpiła produkty naturalne.

Dlatego zwracamy się ku roślinom?

Obecnie staje się oczywiste, że synteza chemiczna ma wiele wad, takich jak duże zużycie energii, często toksyczne produkty uboczne i produkcja odpadów. W związku z tym na pierwszy plan wysuwają się odnawialne i zrównoważone metody produkcji, a taką przewagę oferują rośliny.

A jak na ich tle wypadają systemy mikrobiologiczne?

Systemy mikrobiologiczne dla produktów fermentacji są również ważne, ale wymagają również warunków przemysłowych i energii. I wreszcie, mają ograniczenia, jeśli chodzi o gospodarza złożonych szlaków z czasami toksycznymi produktami pośrednimi (toksycznymi dla samej komórki produkującej).

I to daje roślinom przewagę biologiczną?

Rośliny rozwinęły wyrafinowaną orkiestrację między różnymi organellami komórkowymi, między wyspecjalizowanymi komórkami, a także dedykowanymi przedziałami przechowywania, aby poradzić sobie ze wszystkimi tymi kwestiami i produkować cenne metabolity w ogromnych ilościach.

Jakie produkty dostępne już dziś – na przykład perfumy, barwniki lub suplementy – wykorzystują metabolity wytwarzane w genetycznie zmodyfikowanych roślinach? Jakie zastosowania uważa Pan za najbardziej przełomowe w nadchodzących latach?

Najbardziej znanym przykładem rośliny ze wzbogaconym metabolitem jest z pewnością Golden Rice, czyli ryż o zwiększonej zawartości prowitaminy A (karotenoidów). Jest to bardzo ważny przykład inżynierii genetycznej w walce z niedożywieniem, ale pokazuje również, że skład produktów naturalnych może być modyfikowany i pojawi się wiele innych roślin, które zaspokoją tę potrzebę.

Jak wygląda sytuacja poza sektorem spożywczym?

Jeśli chodzi o przykłady z sektora niespożywczego, większość potencjalnych produktów jest wciąż w fazie rozwoju. Uprawa roślin transgenicznych wymaga deregulacji, która jest żmudnym, kosztownym i czasochłonnym procesem zgodnie z obowiązującymi przepisami. W przypadku Golden Rice zajęło to dziesięciolecia.

Co może przyspieszyć ten rozwój?

Przełomowa technologia edycji genomu może przyspieszyć ten proces, ponieważ w wielu krajach rośliny edytowane genomowo nie podlegają tym przepisom, a rozwój jest znacznie szybszy. Zostało to ostatnio wykazane w przypadku pomidorów wzbogaconych o GABA (kwas gamma-aminomasłowy), sprzedawanych w Japonii. W najbliższych latach z pewnością pojawi się ich jeszcze więcej.

Prowadzi Pan badania nad bezpośrednim wykorzystaniem energii słonecznej w chloroplastach do napędzania reakcji enzymatycznych. Jak działa taka „fabryka zasilana światłem” i jakie mogą być jej zastosowania w przemyśle lub medycynie?

Chloroplasty są organellami, które sprawiają, że roślina jest rośliną. Tutaj zachodzi fotosynteza, co oznacza, że energia słoneczna jest przekształcana w energię chemiczną.

Dla rośliny jest ona ostatecznie przechowywana w cząsteczkach cukru, o których my, ludzie, wiemy, że mogą dostarczyć nam energii, podczas gdy my ponownie przekształcamy je w CO2.

Jednak na tej drodze od CO2 do cukru występuje wiele etapów, w których budowane są tak zwane równoważniki redukujące. Są one nieocenione, ponieważ mogą również dostarczać energii niezbędnej do napędzania reakcji chemicznych innych niż gromadzenie cukru.

Jakie są praktyczne zastosowania tej technologii?

Właśnie to staramy się wykorzystać, przekierowując część energii dostarczanej przez chloroplasty na syntezę metabolitów. Zastosowania w różnych dziedzinach, takich jak medycyna czy kosmetyka, zależą od klasy wytwarzanych substancji.

Jako przewodniczący europejskiej sieci COST PlantEngine promuje Pan otwartą wymianę danych i narzędzi. W jaki sposób młodzi naukowcy mogą najefektywniej wykorzystać zasoby takie jak „projektuj-buduj-testuj-ucz się”?

Akcja COST była programem, w którym organizowaliśmy badania w taki sposób, aby przejść od rozwiązań dostosowanych do indywidualnych potrzeb w projektowaniu obwodów genetycznych do bardziej znormalizowanego sposobu.

Dzięki temu możemy teraz swobodnie wymieniać się blokami konstrukcyjnymi do projektowania genów w taki sposób, że po wygenerowaniu części w laboratorium A można ją wysłać do laboratorium B, które może z niej korzystać od razu, bez konieczności dostosowywania jej do własnego systemu laboratoryjnego.

W jaki sposób projekt wspiera rozwój młodych badaczy?

Drugim filarem tego projektu była wymiana początkujących naukowców i umożliwienie im zdobycia nowych umiejętności w laboratorium goszczącym i ponownego wprowadzenia ich do swoich macierzystych instytucji. Stanowiło to integralną część projektu i jest najskuteczniejszym sposobem wspierania młodych karier.

Jakie mechanizmy bezpieczeństwa biologicznego i ramy regulacyjne istnieją obecnie – lub powinny zostać opracowane – aby zapobiec przypadkowemu przedostaniu się roślin wytwarzających związki farmakologicznie czynne do łańcucha pokarmowego?

W rzeczywistości są to dwa pytania. Po pierwsze, należy zapobiec niezamierzonemu rozprzestrzenianiu się roślin zmodyfikowanych genetycznie ze względu na kwestie regulacyjne, a po drugie, jeśli przekształcisz zwykłą roślinę w producenta składników aktywnych, musisz upewnić się, że nie można jej pomylić z rośliną typu dzikiego.

Jakie rozwiązania mogą być tutaj najskuteczniejsze?

Po pierwsze, z jakiegokolwiek powodu najlepiej byłoby uprawiać rośliny w zamknięciu, aby zapobiec niezamierzonemu rozprzestrzenianiu się, co można łatwo osiągnąć w szklarniach lub pionowych jednostkach rolniczych. Wskazane byłoby również wytwarzanie składników aktywnych nie w roślinach spożywczych lub paszowych. Preferowane są rośliny niejadalne, takie jak tytoń. Dodatkowo, do zmodyfikowanych roślin można wprowadzić znaczniki wizualne, aby nadać im etykietę, na przykład nowy kolor. Dałoby to natychmiastowy znak, że dana roślina została zmodyfikowana.

***

Prof. Heribert Warzecha jest profesorem biotechnologii roślin i inżynierii metabolicznej na Wydziale Biologii Technische Universität Darmstadt. Jest farmaceutą i uzyskał tytuł doktora na Uniwersytecie Gutenberga w Moguncji w dziedzinie biologii farmaceutycznej, pracując nad biosyntezą alkaloidów w roślinach leczniczych i kulturach komórkowych. Po dwóch latach pracy w Boyce Thompson Institute for Plant Research na Cornell University, Ithaca/NY (1999-2001) i na stanowisku adiunkta na Uniwersytecie w Würzburgu, dołączył do TU Darmstadt w 2007 roku. Jednym z jego obszarów badawczych jest inżynieria metaboliczna wtórnego metabolizmu roślin i generowanie nowych roślin leczniczych.

Prof. Heribert Warzecha jest gościem Międzynarodowej konferencji PSE Young Scientists Meeting 2025 "Trends in Natural Product Research" organizowanej na Uniwersytecie Medycznym we Wrocławiu pod auspicjami Phytochemical Society Konferencja odbywa się w dniach 2–6 czerwca na Wydziale Farmaceutycznym.

Konferencja PSE 2025 to także element obchodów 75-lecia Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu, organizowany pod honorowym patronatem Rektora UMW, prof. Piotra Ponikowskiego oraz Prezydenta Wrocławia, Jacka Sutryka. 

W tegorocznej edycji weźmie udział ponad 150 uczestników z ponad 20 krajów, a program obejmuje 15 wykładów plenarnych, 40 prezentacji ustnych oraz ponad 70 posterów naukowych. To unikalna okazja dla młodych naukowców do zaprezentowania swoich badań, zdobycia konstruktywnej informacji zwrotnej oraz nawiązania kontaktów z doświadczonymi badaczami reprezentującymi różnorodne dziedziny nauki.
 

Rozmawiała dr Dorota Sikora.

Link do wydarzenia:
https://www.umw.edu.pl/pl/wydarzenia/konferencja-trends-natural-product-research

Agenda:
https://konferencje.umw.edu.pl/psewroclaw2025/program-pse-wroclaw/agenda/

Fot. Kathrin Binner