Plastiden sind spezialisierte Strukturen in Pflanzenzellen, die Nahrung und Pigmente für die Zelle herstellen und speichern. Sie haben sich vermutlich aus unabhängigen einzelligen Organismen entwickelt, die vor über einer Milliarde Jahren in Symbiose mit Pflanzen lebten. Sie enthalten eine große Anzahl von Genen und stellen eine Reihe von Proteinen her. Es besteht großes Interesse an der Verwendung von Plastiden als Fabriken zur Herstellung von Proteinen, die von pharmazeutischem Interesse sind.
Die bekanntesten Plastiden sind die Chloroplasten, die der Ort der Photosynthese sind. Andere sind Chromoplasten, die Pigmente wie Carotinoide speichern, die für die Färbung von Früchten und Blumen verantwortlich sind. Leukoplasten speichern Stärke, Lipide oder Proteine – alles mögliche Nahrungsquellen. Speicherwurzeln können wie Kartoffeln und Karotten stärkehaltige Leukoplasten enthalten. Plastidentypen können sich je nach Zustand der Zelle in andere Plastidentypen umwandeln.
Chloroplasten enthalten das Pigment Chlorophyll, das Licht absorbiert und den Blättern eine grüne Farbe verleiht. Chlorophyll fängt die Energie des Sonnenlichts ein und nutzt sie, um Wasserstoff aus dem Sauerstoff im Wasser abzuspalten. Dabei entsteht der Sauerstoff, den Menschen und Tiere atmen. Der Wasserstoff wird in Kohlendioxid aus der Luft eingebaut. Dieser Prozess der Photosynthese produziert die Glukose und andere Verbindungen, die die Pflanze für den Stoffwechsel verwendet.
Pflanzengewebe können eine große Anzahl von Plastiden in ihrem Zytoplasma aufweisen; eine Zelle kann über 50 davon haben. Diese bilden sich aus der Teilung bestehender Plastiden und werden nur von einem Elternteil vererbt.
Plastiden haben eine innere Doppelmembran, die sie vom Rest der Zelle trennt. Innerhalb dieser Membran befinden sich viele spezielle Merkmale, wie eine Reihe zusätzlicher Membranen und das Plastom oder die Gesamt-DNA des Plastiden. Dieses Plastidengenom kodiert etwa 100 der Gene, die von den Plastiden benötigt werden, aber der Rest wird vom Zellkern kodiert. Somit ist das Plastid nicht völlig unabhängig vom Rest der Zelle, obwohl es sich getrennt teilt.
Es wird intensiv geforscht, Chloroplasten als Produktionsquelle für biologische Verbindungen wie Enzyme und Antikörper zu nutzen. Die Plastidentransformation hat einen großen Vorteil gegenüber herkömmlichen Methoden der Gentechnik, da die Plastiden in den meisten Fällen nicht im Pollen vorkommen. Somit sollten sie sich nicht auf benachbarte Pflanzen ausbreiten und die gentechnisch veränderten Pflanzen würden isoliert. Dies sollte dazu beitragen, Bedenken hinsichtlich der Verbreitung veränderter Gene in die Umwelt zu zerstreuen.
Die Einführung von Genen in die Plastide ist viel komplizierter als die herkömmlichen Methoden zur Einführung von Genen in den Zellkern, da jede Zelle mehr als 1,000 Plastome haben kann. Jeder muss auf die gleiche Weise modifiziert werden, damit diese Technik erfolgreich ist. Im Erfolgsfall kann das eingeführte Gen jedoch bis zu 25 % des gesamten zellulären Proteins umfassen. Außerdem sind Pflanzen in der Lage, Proteine zu verändern, die Bakterien nicht können, was ihnen einen Vorteil gegenüber der Produktion in bakteriellen Überexpressionssystemen verschafft.
Die Plastiden mehrerer verschiedener Pflanzenarten wurden erfolgreich transformiert. Die Plastidentransformation von Pflanzenembryonen oder jungen Zellen wird oft mit einer Partikelkanone erreicht. Bei dieser Technik werden Gold- oder Wolframpartikel mit DNA beschichtet und anschließend in das Gewebe geschossen. Die verwendete DNA ist ein Plasmid, eine zirkuläre DNA-Einheit, die das gewünschte Gen enthält. Es wird auch eine DNA-Sequenz enthalten, die es ihm ermöglicht, sich in der Zelle zu replizieren, und ein Gen für Antibiotikaresistenz, um zu identifizieren, welche Zellen transformiert wurden.