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Farmaci biotecnologici “made in plants”: la rivoluzione del Plant Molecular Farming

DOI 10.12910/EAI2025-068

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di Selene Baschieri, Cristina Capodicasa, Marcello Catellani, Marcello Donini, Chiara Lico, Carla Marusic, Maria Elena Villani - Dipartimento Sostenibilità, circolarità e adattamento al cambiamento climatico dei Sistemi Produttivi e Territoriali, Laboratorio Biotecnologie Green-ENEA

La crescente domanda globale di farmaci biologici richiede piattaforme produttive più rapide, efficienti e sostenibili rispetto alle tradizionali colture cellulari animali. La produzione in pianta rappresenta una delle alternative più promettenti: un sistema capace di generare proteine terapeutiche e diagnostiche con elevati standard qualitativi.
Un settore in cui l’ENEA è stato pioniere, costruendo in oltre trent’anni un know-how riconosciuto a livello internazionale.

La recente emergenza pandemica ha messo in evidenza l’importanza di investire in ricerca e sviluppo nell’ambito delle biotecnologie farmaceutiche, con particolare riferimento alla produzione di farmaci biologici. Il mercato di questa tipologia di farmaci è cresciuto moltissimo negli ultimi anni ed è stimato in 412,68 miliardi di dollari nel 2025 [1].
Per loro natura e complessità, i farmaci biologici non possono essere prodotti per sintesi chimica ma richiedono l’uso di cellule animali coltivate in biofermentatori, strumenti complessi e costosi. Il Plant Molecular Farming (PMF) rappresenta una piattaforma di produzione alternativa, basata sull’impiego delle piante (Figura 1A). 

 L’impiego di questa metodologia presenta numerosi vantaggi ed in particolare: 

  • significativa riduzione dei tempi di produzione (circa 40 giorni dalla semina alla purificazione del biofarmaco) 
  • ridotti costi e flessibilità del sistema per incrementare rapidamente la scala di produzione 
  • biosicurezza  
  • possibilità di rendere “circolare” il sistema grazie al riutilizzo delle risorse necessarie alla coltivazione delle piante

Ad oggi la tecnica più utilizzata per la produzione di farmaci biologici nei tessuti vegetali è l’agroinfiltrazione, che sfrutta la naturale capacità di un batterio del suolo, l’Agrobatterio, di trasferire l’informazione genetica all’interno della cellula vegetale in modo rapido e transitorio (Figura 1B). La piattaforma produttiva prevede l’utilizzo di piante di Nicotiana benthamiana. Si tratta di una specie di tabacco selvatico che in breve tempo (circa 40 giorni dalla semina) sviluppa abbondante biomassa (20-30 g di foglie/pianta) e che può essere facilmente allevata in piccoli spazi. 

Tra i biofarmaci che meglio si adattano alla produzione in pianta, gli anticorpi monoclonali occupano un posto di elezione. Con il PMF è infatti possibile ottenere un prodotto funzionalmente equivalente a quello che si ottiene utilizzando cellule di origine umana. Gli studi preclinici e clinici dimostrano che l'immunoterapia basata su anticorpi ricombinanti prodotti in pianta può essere adottata con sicurezza e indubbi vantaggi anche in termini di rapidità di produzione e costi [2], [3].

Le piante biofabbrica si sono dimostrate una piattaforma efficace anche per la produzione di antigeni per scopi vaccinali, compresi quelli dotati della capacità di auto-assemblarsi a formare particelle simil-virali (Virus Like Particles, VLP). Un esempio di vaccino prodotto in piante di N. benthamiana attualmente in commercio è quello contro SARs-CoV-2 (con il nome commerciale di Covifenz) da parte della ditta canadese Medicago Inc.  (oggi Aramis Biotechnologies) e da Glaxo Smith Kline, il cui utilizzo è stato approvato nel 2022 dalle autorità Canadesi [4].

L’ENEA ha consolidato un’esperienza ultraventennale nell’uso del PMF [5], [6] e nell’ambito del laboratorio BIOTEC-GREEN sono state sviluppate competenze relative alla realizzazione di piante “biofabbrica” per la produzione di anticorpi/vaccini/farmaci/nanomateriali per applicazioni diagnostiche e prevenzione/trattamento di malattie (infettive e cronico-degenerative) umane e veterinarie.  

La Piattaforma PMF in ENEA: l’impianto PharmaGREEN 

Recentemente in ENEA, grazie al progetto PAN-HUB finanziato dal Ministero della Salute1, è stato realizzato l’impianto ‘PharmaGREEN’ per la produzione di proteine ricombinanti con tecnologia PMF. Il progetto, che si inquadra nell’ambito della strategia nazionale ed europea sulla pandemic preparedness attraverso la ricerca e l’innovazione, ha lo scopo di realizzare un’infrastruttura strategica di ricerca e sviluppo per il contrasto alle pandemie e alle emergenze legate all’antibiotico resistenza. Nell’ambito del progetto, a cui partecipano 18 partner tra privati ed enti pubblici, l’ENEA è responsabile della messa a punto di una piattaforma innovativa su piccola-media scala per la produzione di biofarmaci in pianta. Le attività ENEA coinvolgono diversi laboratori afferenti anche a differenti Dipartimenti, unendo competenze multidisciplinari che vanno dalle biotecnologie vegetali, alla microbiologia, alla chimica fino ai processi di automazione e di economia circolare, con particolare attenzione all’ottimizzazione delle risorse e circolarità del processo produttivo. L’ampliamento della piattaforma di PMF da scala di laboratorio a scala pilota permetterà la produzione di biofarmaci in quantità sufficiente (grammi) per la valutazione in studi preclinici/clinici in tempi ridotti rispetto ai sistemi di produzione tradizionali basati sulle cellule di mammifero. 

L’aspetto innovativo della facility PharmaGREEN consiste nell’aver ideato un sistema semi-automatizzato di agroinfiltrazione che consentirà di trattare un numero elevato di piante in tempi sensibilmente ridotti (Figura 2) 

Il progetto europeo REPRODIVAC

Attualmente il gruppo ENEA è impegnato in veste di coordinatore nel progetto europeo REPRODIVAC, un progetto finanziato dal Programma di ricerca e innovazione Horizon Europe dell’Unione Europea che coinvolge 16 partner tra istituzioni pubbliche e private distribuite in 7 diversi paesi (Figura 3). Lo scopo del progetto è quello di sviluppare e produrre vaccini di nuova generazione e saggi diagnostici per il controllo di quattro patogeni, tre di natura batterica ed un virus, che colpiscono il sistema riproduttivo di ovini e suini ma che possono essere infettivi anche per l’uomo. Nell’ambito del progetto le attività scientifiche del gruppo ENEA sono focalizzate sull’utilizzo della piattaforma PMF per lo sviluppo e la produzione in pianta di biofarmaceutici innovativi con l’intento di ridurne i costi e favorirne l’uso per scopi veterinari, contribuendo a ridurre l’uso degli antimicrobici.

In conclusione, la piattaforma di produzione di biofarmaci in pianta rappresenta una grande opportunità non solo per le grandi multinazionali del farmaco ma in generale anche per il nostro paese. Questa nuova tecnologia ha la possibilità di fornire soluzioni innovative per la produzione di biofarmaci a basso costo nelle piante contribuendo in prospettiva a migliorare l’efficienza del servizio sanitario e rappresentando uno stimolo per il sistema produttivo.

La figura è suddivisa in due pannelli A e B. Il pannello superiore è diviso in tre sezioni principali, disposte orizzontalmente. Sezione sinistra – Il titolo è “Biomolecole prodotte in pianta” e al centro c’è un’immagine di una pianta verde con foglie, identificata come Nicotiana benthamiana. Dalla pianta partono tre linee che collegano a immagini rappresentative di biomolecole. In alto a sinistra: una struttura stilizzata di anticorpo, etichettata “Anticorpi”. In basso a sinistra: struttura di un virus sferico, etichettata “Vaccini”. A destra: una struttura proteica, etichettata “Ormoni, Citochine ecc.” Sezione centrale – Il titolo è “Sistema scalabile di produzione mediante Agroinfiltrazione” e mostra il disegno di un contenitore a forma di cubo che rappresenta una camera di crescita, con file di piante verdi all’interno. Sopra le piante ci sono tubi orizzontali che rappresentano luci LED. Sotto l’immagine ci sono le scritte: “Bassi costi” e “Velocità di produzione”. Sezione destra – Il titolo è “Validazione delle biomolecole” ed è divisa in due parti. La prima parte è intitolata “Saggi in vitro” che sono raffigurati con i disegni di una piastra rosa di colture cellulari e una piastra di screening con più pozzetti. La seconda parte è intitolata “Saggi in vivo” che sono raffigurati con tre piccoli animali da laboratorio (topi) disegnati. Sotto alla sezione c’è la scritta “Biomolecole per terapia e diagnostica”. Il pannello inferiore illustra il processo di produzione di un biofarmaco utilizzando le piante come biofabbriche, ed è composta da una sequenza di cinque passaggi collegati da frecce orizzontali. Primo passaggio: un batterio del suolo chiamato Agrobacterium tumefaciens contiene un gene che codifica per il biofarmaco. Secondo passaggio: il batterio viene fatto crescere in un contenitore di vetro simile a un matraccio con liquido di coltura specifico giallo. Terzo passaggio: le piante vengono sottoposte a un processo chiamato agroinfiltrazione mediante vuoto, rappresentato da una camera con una pianta immersa capovolta nella coltura batterica liquida e in alto il disegno di un monometro come simbolo del vuoto. Quarto passaggio: la pianta, ora definita “pianta biofabbrica”, produce il biofarmaco. Sopra la pianta è mostrata un’immagine stilizzata di un anticorpo. Quinto passaggio: il biofarmaco viene estratto e purificato. È mostrato un grafico con un picco corrispondente alla biomolecola purificata e la foto di un impianto di laboratorio. In basso, è indicato che la durata dell’intero processo è di circa 10 giorni.+
Figura 1 - Pianta biofabbrica
Pannello A: Descrizione schematica del processo di produzione e validazione di farmaci biologici prodotti nelle piante. Pannello B: Rappresentazione schematica delle fasi sperimentali della piattaforma produttiva “Plant Molecular Farming”.
La figura contiene tre fotografie che descrivono il laboratorio PharmaGREEN, una in alto e due in basso. Foto in alto: l’immagine in alto mostra l’interno del laboratorio per la coltivazione indoor, illuminato da luci LED viola e rosa, tipiche delle coltivazioni idroponiche. In primo piano, su dei ripiani metallici, ci sono piante di Nicotiana benthamiana disposte in file ordinate. Sullo sfondo si vedono altre strutture multipiano per la coltivazione, sono strutture in metallo e tubi, per il ricircolo dell’acqua e dei nutrienti. L’ambiente è pulito e ordinato, con un’atmosfera tecnologica e controllata, come in un laboratorio moderno dove si coltivano piante senza terra utilizzando cubi di lana di roccia, sotto luce artificiale. Foto in basso a sinistra: l’immagine in basso a sinistra mostra l’impianto semi-automatizzato per l’agroinfiltrazione all’interno di un armadio a struttura metallica rifinita con pannelli trasparenti blu in policarbonato. All’interno, su un piano di lavoro, si vedono alcuni componenti meccanici e tubi, oltre a una vasca in acciaio quadrata con coperchio in alluminio molto spesso che si apre mediante un meccanismo automatico ruotando su un lato del quadrato. I pannelli trasparenti di colore blu che avvolgono il macchinario sono apribili. La vasca è aperta e sul lato interno del coperchio, mediante un apposito supporto, è posizionato un vassoio quadrato, sul quale sono posizionate quattro piante di Nicotiana benthamiana. Il coperchio e la vasca sono collegati a strumenti o sensori. L’insieme dà l’idea di un dispositivo scientifico per l’infiltrazione di agrobatterio nelle foglie. L’ambiente è pulito, ordinato e illuminato da luci artificiali. Foto in basso a destra: l’immagine mostra in dettaglio un modulo di coltivazione verticale all’interno del laboratorio, illuminato da luci LED di colore rosa e viola, tipiche delle serre indoor. La struttura è composta da tre ripiani metallici sovrapposti, ognuno dei quali ospita piccoli vassoi quadrati bianchi con piantine di Nicotiana benthamiana disposti in file ordinate. Le piante si trovano in un sistema idroponico, cioè coltivate in acqua e nutrienti, senza terra, utilizzando cubi di lana di roccia. Lo spazio è luminoso, ordinato e moderno, con un’atmosfera da laboratorio tecnologico, dedicato alla crescita controllata di piante in ambiente artificiale.+
Figura 2 - Laboratorio PharmaGREEN del Centro ENEA Casaccia per la produzione di farmaci biotecnologici nelle piante
La figura è organizzata in due parti disposte verticalmente. In alto c’è il disegno di una mappa dell’Europa con i partner coinvolti disposti sui relativi paesi di appartenenza, sulla destra il logo del progetto. In basso, un grande ombrello verde di protezione con la scritta “One Health” che copre quattro aree tematiche disposte orizzontalmente. Le aree rappresentano procedendo da sinistra a destra: alcuni agenti patogeni stilizzati con sotto alcuni animali da allevamento (una capra, un maiale e una pecora); al centro una siringa e confezioni di vaccini e farmaci stilizzati; a destra, in alto una casella di testo con la scritta “ ricadute su salute umana, salute animale e processi produttivi” sotto la casella di testo sono rappresentate schematicamente la “salute umana” con il disegno di un busto umano e un cuore, la “salute animale” con il disegno della la testa di una mucca e il “processo produttivo” con un grafico a barre crescenti che indica la produzione di farmaci e vaccini.+
Figura 3 - Progetto REPRODIVAC

Bibliografia

  1. Biologics Market Size & Share Analysis - Growth Trends and Forecast (2026 - 2031)
  2. M. Donini et al., Biotechnol. Lett., vol.41, no. 3, pp. 335-346, Mar. 2019, doi: 10.1007/s10529-019-02651-z.
  3. M. U. Nessa et al., Biomed. Res. Int., vol. 2020, Aug. 2020 doi: 10.1155/2020/3038564.
  4. K. J. Hager, et al., N Engl J Med., vol. 386 no. 22, pp. 2084-2096, Jun. 2022 doi: 10.1056/NEJMoa2201300.
  5. C. Lico, et al., Front. Plant Sci., vol.11 art. 609910, Dec. 2020 doi: 10.3389/fpls.2020.609910.
  6. R. Frigerio et al., Front. Plant Sci., vol. 5; 13:: 36131799; PMCID: PMC948432

Note

Opencoesione. Verso un uso migliore delle risorse

Progetto Reprodivac

Per info:  

 

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