このレタスは骨刺激ホルモンを生成し、宇宙や地球での骨の損失を防ぐのに役立ちます.クレジット:ケビン・イェーツ
NASA は 2030 年代に火星に人間を送る準備をしています。 3年間のミッションでは、宇宙飛行士は長期間にわたって微小重力にさらされ、骨量が減少します。しかし今、科学者たちは、骨刺激ホルモンを生成するトランスジェニック レタスを報告しています。いつの日か、宇宙飛行士が宇宙でレタスを育てて骨量減少を防ぐことができるようになるかもしれません。大きなボウルのサラダを食べるだけです。さらに、このレタスは、地球上の資源が限られている地域で骨粗しょう症を食い止めるのに役立つかもしれない、と研究者は述べています.
研究者は本日、米国化学会 (ACS) の春季大会で結果を発表します。 ACS Spring 2022 は、3 月 20 ～ 24 日に仮想および対面で開催されるハイブリッド ミーティングで、3 月 21 ～ 4 月 8 日にオンデマンド アクセスが利用できます。このミーティングでは、幅広い科学トピックに関する 12,000 以上のプレゼンテーションが行われます。
長期にわたる宇宙ミッションに従事する宇宙飛行士に関するこれまでの研究では、宇宙飛行士が宇宙で過ごした 1 か月あたり平均 1% 以上の骨量が失われることが示されています。これは、骨減少症として知られる状態です。 「現在、国際宇宙ステーションの宇宙飛行士は、骨量を維持するために特定の運動療法を行っています」と、会議で研究を発表している大学院生のケビン・イェーツは言います。 「しかし、それらは通常、国際宇宙ステーションに 6 か月以上留まることはありません。」対照的に、火星に到達するには約 10 か月かかり、宇宙飛行士は地球に帰る前に約 1 年間滞在して惑星を研究します。
3 年間のミッションでは、宇宙飛行士は骨減少症にかかりやすくなり、その後骨粗鬆症になる可能性があります。ヒト副甲状腺ホルモン (PTH) のペプチド フラグメントを含む薬剤は、骨形成を刺激し、微小重力下で骨量を回復するのに役立つ可能性がありますが、毎日の注射が必要です。大量の薬剤や注射器を輸送し、宇宙ミッション中に投与することは現実的ではありません。そうイエーツ。ソーメン・ナンディ博士。カレン・マクドナルド博士。そして彼らの同僚は、宇宙飛行士が自分たちでそれを生産する方法を見つけたいと考えていましたが、宇宙飛行士の主に缶詰やフリーズドライの食事に深刻に欠けているおいしい野菜も楽しんでいます.
「宇宙飛行士はトランスジェニック種子を運ぶことができます。これは非常に小さいものです。親指ほどの大きさのバイアルに数千個の種子を入れることができ、通常のレタスと同じように育てることができます」とナンディは言います。 「彼らは植物を使用して、必要に応じて PTH などの医薬品を合成し、その植物を食べることができます。」
国際宇宙ステーションでは、宇宙飛行士は、この資源が限られた環境で通常のレタスを栽培できることをすでに示しています。カリフォルニア大学デービス校の Yates、Nandi、McDonald は、注射ではなく経口摂取できる形で PTH ペプチドを発現するトランスジェニック レタスを開発したいと考えていました。特別なレタスは、従来の薬を利用できない地球の地域の骨減少症の治療にも役立つ可能性があります.体内での PTH の安定性とバイオアベイラビリティを高めるために、別のタンパク質の断片、ヒト抗体のフラグメント結晶化可能 (Fc) ドメインを PTH の配列に結合しました。以前の研究では、Fc フラグメントが結合したペプチドが血中を循環する時間を増加させ、より効果的にすることが示されています.
研究者たちは、植物細胞に Agrobacterium tumefaciens を感染させることにより、PTH-Fc をコードする遺伝子をレタスに導入しました。 — 実験室で遺伝子を植物に移すために使用される細菌の一種。彼らは、トランスジェニック レタス植物とその子孫を PTH-Fc 産生についてスクリーニングしました。予備的な結果は、平均して、植物が新鮮なレタス 1 キログラムあたり約 10 ～ 12 ミリグラムの修飾ペプチド ホルモンを発現することを示しています。イェイツによれば、これは宇宙飛行士がホルモンの十分な用量を得るために毎日約 380 グラム、または約 8 カップのレタスを食べる必要があることを意味し、バイオアベイラビリティが約 10% であると仮定すると、それは「かなり大きなサラダ」であると彼は認めています。
「私たちが現在行っていることの 1 つは、これらのトランスジェニック レタス系統をすべてスクリーニングして、PTH-Fc 発現が最も高い系統を見つけることです」と McDonald 氏は言います。 「これまでにそれらのいくつかを調べたところ、平均が 10 ～ 12 mg/kg であることがわかりましたが、それをさらに増やすことができると考えています.発現を高めることができるほど、消費する必要があるレタスの量は少なくなります。」チームはまた、トランスジェニック レタスが国際宇宙ステーションでどれだけうまく成長するか、地球上と同じ量の PTH-Fc を生成するかどうかをテストしたいと考えています.
安全性が確立されていないため、研究者はまだレタスを味わっていませんが、他のほとんどのトランスジェニック植物と同様に、通常のレタスと非常によく似た味になると予想しています.ただし、トランスジェニック レタスが宇宙飛行士の皿に飾られる前に、研究者は PTH-Fc 発現レベルを最適化する必要があり、その後、動物モデルと人間の臨床試験でレタスの骨量減少を安全に防ぐ能力をテストします。それにもかかわらず、イェイツは次のように予測しています。
研究者は、宇宙における生物工学利用センター (CUBES) を通じた NASA からの支援と資金提供に感謝します。
タイトル
微小重力骨減少症を治療するための飛行中の植物生成治療薬の開発
アブストラクト
微小重力環境での拡張宇宙ミッションは、人体の正常な生理機能を変化させます。宇宙飛行における重要な問題の 1 つは、骨密度の低下です。骨のホメオスタシスの過程で、特殊化された細胞が、骨の吸収と形成が結合した骨のリモデリングを促進します。微小重力下で機械的負荷が減少すると、再吸収が形成を上回り、結果として骨量が減少します。天然のヒト PTH のペプチド断片である副甲状腺ホルモン (PTH) [アミノ酸 1-34] などの薬剤は、骨形成を刺激し、微小重力下で骨量を回復できる可能性があります。しかし、これには何ヶ月もの間、毎日の皮下注射が必要であり、リソースが限られている環境では、これは実用的ではありません。注射可能な薬を輸送する代わりに、ミッション中にそれを生産する能力を構築することです。これは、トランスジェニック植物で行うことを提案しています.
我々は、柔軟なリンカーを介してヒト IgG1 のフラグメント結晶化可能 (Fc) ドメインと結合した PTH [アミノ酸 1-34] からなる融合タンパク質を発現するトランスジェニック レタスを生産しています。植物小胞体内のFc成分およびPTH-Fcの隔離は、経口送達によるバイオアベイラビリティを高めることを目的としています。この PTH-Fc タンパク質を発現させるためのバイナリーベクターを構築し、それを使用して、アグロバクテリウム・ツメファシエンスによる野生型レタスの形質転換を介して、2 種類のトランスジェニックレタスで PTH-Fc を構成的に生成しました。トランスジェニック (T) 植物の生成に成功し、選択マーカーと PCR を使用して T1 および T2 世代をスクリーニングしました。ウエスタンブロッティングと組み合わせた抽出プロトコルにより、融合タンパク質のPTHまたはFc領域のいずれかを標的とすることにより、植物抽出物中のPTH-Fcの検出が可能になりました。 PTH-Fcの発現レベルを定量化するために、最適化されたELISAプロトコルが開発されています。予備的な結果から、発現レベルは生重量バイオマス 1 キログラムあたり 10 ～ 12 mg の PTH-Fc のオーダーであると推定されます。
