High-yield on-demand production of tobacco mosaic virus-like particles using a plant-derived cell-free expression system

Pflanzenviren-Nanopartikel (VNPs) eignen sich zur Herstellung vielseitiger, funktionalisierter Nanomaterialien, enthalten jedoch replizierbare genomische DNA, deren Umweltauswirkungen sorgfältig bewertet werden müssen. Demgegenüber besitzen pflanzliche virusähnliche Partikel (VLPs) keine replizierbare genetische Information und sind daher nicht infektiös. Ihre Produktion in Pflanzen ist jedoch mit Herausforderungen verbunden, darunter geringe Ausbeuten und schwer skalierbare Reinigungsverfahren.

Um diese Probleme zu überwinden, wurden zellfreie Lysate aus Nicotiana tabacum BY-2-Zellen eingesetzt, um Tabakmosaikvirus-(TMV-)ähnliche Partikel herzustellen. Ziel war es, VLPs sowohl mit als auch ohne verkapselte RNA zu erzeugen. SDS-PAGE und Western Blot zeigten eine starke Akkumulation des viralen Hüllproteins; Enzym-gekoppelte Immunassays bestätigten vor der Reinigung Ausbeuten von bis zu 3,56 ± 0,62 mg pro ml Lysat. Aufgrund der begrenzten Assemblierungseffizienz lag die Ausbeute gereinigter TMV-VLPs in einer ähnlichen Größenordnung wie bei pflanzlicher Produktion, wobei bis zu 0,70 ± 0,16 mg pro ml Lysat erreicht wurden.

Bemerkenswert ist, dass diese Ausbeute etwa 23-fach höher ist als bei mikrobiellen Expressionssystemen und gleichzeitig aufwendige, arbeitsintensive Prozessschritte pflanzenbasierter Verfahren entfallen. Transmissionselektronenmikroskopie zeigte, dass sich die VLPs im Lysat bei pH 7 zusammenlagern und bis zu einem pH-Wert von 8,5 stabil bleiben. Insgesamt stellt die zellfreie Expression somit eine schnelle, einfache und kosteneffiziente Methode zur Herstellung pflanzlicher VLPs mit hoher Ausbeute dar und bietet eine Grundlage für deren bedarfsgerechte Produktion unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen.