康奈尔大学和伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的科学家进行的田间试验的结果表明，工程烟草植株可以作为作物种植，以生产药物和工业用酶及其他蛋白质。康奈尔大学生物与环境工程系教授贝丝·阿纳(Beth Ahner，PhD)领导的研究人员在该领域首次成功培育此类植物的报告中指出，在转基因烟草植物中生产此类蛋白质可能更便宜在商业规模上要比使用当前的基于单元的方法好。他们在发表的论文中总结道：“……我们估计，可以从田间种植的转基因烟草植物中获得特定的蛋白质，而成本要比目前的细胞培养方法低三个数量级。”田间种植的烟草植物在叶绿体中积累大量细菌纤维素酶的同时，还能保持强劲的生长。”

这组作者写道，在不久的将来，用于制药和工业应用的重组蛋白的全球市场预计将达到3000亿美元。这是一个非常多样化的市场，涵盖药品，消费品和工业应用的酶以及提高食品和饲料产品的营养价值。研究人员指出：“这种多样性使多功能和可扩展的生产平台必须能够满足不断变化的市场需求。”

大多数特殊蛋白质是使用哺乳动物，昆虫，真菌或细菌细胞培养物作为蛋白质工厂生产的，但这些方法维护成本高，容易受到污染，并且如果需求发生变化，则不容易修改。相比之下，研究小组建议：“田间种植的转基因农作物可能会提供一种安全且具有成本效益的替代品，以扩大或替代这个庞大且不断增长的市场的很大一部分。”

虽然可以通过将基因插入核基因组或植物叶绿体中的DNA中来实现植物中外源基因的表达，但商业努力往往倾向于前者而不是后者。“由于研究重点从概念证明到商业适用性的相对较新的转变，植物生物技术公司尚未充分利用叶绿体工程技术。”这可能是短视的，因为经过深入研究的烟草植物可能提供商业上可行的研究人员指出，叶绿体工程的选择。“…质体工程已经在烟草中建立了良好的基础，由于其叶材产量高，因此提供了一个在农业上可行的平台。”

他们建议，实际上，工程质体基因组而不是核基因组可能具有许多关键优势。在大多数农作物中，叶绿体是从雌性植物中遗传的，这意味着任何外来基因都不会通过花粉散布到环境中。“我们使用的技术的优势之一是，大多数农作物的叶绿体都是通过母系遗传的，因此基因不在花粉中，”阿纳说。“花粉是向其他转基因作物传播的主要问题之一。”

每个细胞中还有数千个质体基因组(质体组)，因此将基因引入质体细胞器中会导致每个细胞的拷贝数高。此外，质体表现出高表达率，因此叶绿体转化的植物应积累大量的重组蛋白。

尽管研究人员已经在实验室和温室中对转基因植物进行了研究，但尚未进行田间试验。伊利诺伊大学植物生物学教授史蒂芬·朗博士获得了美国农业部的许可，可以在田间种植转基因烟草。

这意味着研究人员可以适当地评估转基因植物在可变环境条件下的生长状况，并研究是否像以前的实验室研究那样将转基因蛋白产生的可溶性蛋白占总可溶性蛋白(TSP)的比例很高。由于工程计划往往受到严重阻碍，因此工厂可能要付出一定的代价。作者评论说：“叶绿体工程化植物在工业上的适用性的真正考验是在高强度，但可预测性较弱的露天环境中分析其生长和异源蛋白质产量。” “我们知道这些植物在温室中生长良好，但是我们从来没有机会在田间进行测试，” Ahner补充说。

现在，科学家们已经报告了他们在最初的烟草田间试验中所使用的烟草植物，这些烟草植物被设计用来生产细菌蛋白Cel6A，Cel6A是一组工业上有价值的纤维素酶之一，用于制造洗涤剂，纺织品和动物饲料加工食品。便宜的纤维素酶还可以帮助降低乙醇和其他生物质衍生产品的最终成本。

田间试验表明，转基因烟草作物产生的Cel6A可以占TSP的近20%，而对它们的总体生长没有任何影响。研究人员说：“值得注意的是，与田间相比，在田间种植时，我们高产品系中的Cel6A积累并未显着减少。” 他们发现，转化的烟草植物可以有效地增加总可溶性蛋白的合成，从而满足生产Cel6A的需求，而不会影响天然蛋白的生产。研究小组报告说：“即使在高度可变且不可预测的田间生长条件下，TetC-cel6A转化子仍能保持强劲的生长和出色的Cel6A产量。”

“当您将植物放入田间时，无论是干旱，温度还是光照，它们都必须面对巨大的转变，它们将需要拥有的所有蛋白质，” Ahner指出。“但是我们证明，该植物在生产非天然蛋白质的过程中仍然能够在田间正常运转。” 那真的是突破。”

结果确实表明，第二年Cel6A产量下降，但这可能至少部分是由于田间的施肥方式所致。作者承认，了解工程植物所需的确切营养非常重要。“按需施肥是一种标准且经济实用的农场管理策略，但是第二年田间转化株表现出的局限性凸显了仔细评估商业化叶绿体烟叶植物独特营养需求的重要性。大规模生产高价值的蛋白质。”

通过传统的微生物生物反应器方法生产1公斤纤维素酶的成本约为10美元，作者基于假设Cel6A的TSP产量为20%以及在任何一个季节进行多次叶片收获的能力来计算，转基因烟草作物的价格仅为每公斤8美元，但前提是必须优化烟草田间种植以最大程度地提高蛋白质产量。他们指出，还必须考虑到下游加工成本，这些成本可能占基于植物的生产系统中纯化的医用蛋白质的最终生产成本的95%。“因此，从质体工程，田间种植的烟草工厂生产的纯蛋白质的最终制造成本预计约为0.16-1.20 g -1。相比之下，利用中国仓鼠卵巢细胞进行的哺乳动物细胞培养的总生产成本为300–3000 g -1重组蛋白，而转基因山羊奶的生产成本为105 g -1。”

研究小组承认，尚不清楚从植物叶绿体中纯化蛋白质的过程是否会带来特殊挑战，但他们指出，最初的田间试验表明生产成本显着降低，建议应进行进一步试验，以研究烟草烟草植物可能代表生产高价值医学和工业蛋白质的可行选择。作者总结说：“现场试验表明，即使叶绿体转化的烟草植株具有显着的异源蛋白积累，它们仍具有强大的弹性，这代表着向叶绿体转化的烟草植株商品化迈出了重要的一步。”

在正在进行的工作中，合着者是Ahner实验室的研究生Jennifer Schmidt，她正在研究如何使植物持续产生不同类型的蛋白质。Ahner说：“我们正在尝试理解允许任何蛋白质在转基因植物中积累的基本生物学机制。”