Οι ερευνητές εντοπίζουν μηχανισμούς υψηλής απόδοσης που χρησιμοποιούνται από τα κύτταρα κάνναβης για την παραγωγή κανναβινοειδών
Για πρώτη φορά, οι βιολόγοι καθόρισαν τα «κόλπα» υψηλής απόδοσης που χρησιμοποιούν τα κύτταρα κάνναβης για να παράγουν κανναβινοειδή (THC/CBD). Αν και πολλές εταιρείες βιοτεχνολογίας προσπαθούν επί του παρόντος να παράγουν THC/CBD εκτός του φυτού, σε καλλιέργειες ζυμομύκητα ή κυττάρων, δεν είναι ακόμα σαφές πώς το φυτό το κάνει αυτό φυσικά.
Για αιώνες, οι άνθρωποι έχουν καλλιεργήσει την κάνναβη για τις φαρμακολογικές ιδιότητες που προκύπτουν από την κατανάλωση των εξειδικευμένων μεταβολιτών της, κυρίως των κανναβινοειδών και των τερπενοειδών. Σήμερα, η κάνναβη είναι μια βιομηχανία πολλών δισεκατομμυρίων δολαρίων της οποίας η ύπαρξη βασίζεται στη βιολογική δραστηριότητα μικροσκοπικών κυτταρικών συστάδων, που ονομάζονται αδενικές τριχώματα, που βρίσκονται κυρίως στα λουλούδια.
Τα αδενικά τριχώματα της κάνναβης αλλάζουν τη μορφολογία και την περιεκτικότητα σε μεταβολίτες κατά την ωρίμανση των ανθέων
Τα κανναβινοειδή είναι τοξικά για τα κύτταρα κάνναβης και δεν είναι γνωστό πώς τα κύτταρα της κάνναβης Τα τριχώματα μπορούν να παράγουν και να εκκρίνουν τεράστιες ποσότητες λιπόφιλοι μεταβολίτες. Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το κενό γνώσης, μελετήσαμε τα αδενικά τριχώματα της κάνναβης χρησιμοποιώντας εξαιρετικά γρήγορη κρυοκαθήλωση, ποσοτική ηλεκτρονική μικροσκοπία και επισήμανση χρυσού των ενζύμων της οδού κανναβινοειδών.
Μελέτη δείχνει ότι τα μεταβολικά ενεργά κύτταρα κάνναβης σχηματίζουν ένα «υπερκύτταρο», με εκτεταμένες κυτταροπλασματικές γέφυρες στα κυτταρικά τοιχώματα και πολική κατανομή οργανιδίων που γειτνιάζουν με την κορυφαία επιφάνεια όπου εκκρίνονται οι μεταβολίτες. Ο προβλεπόμενος μεταβολικός ρόλος των μη φωτοσυνθετικών πλαστιδίων υποστηρίζεται από ασυνήθιστα δίκτυα μεμβράνης στα πλαστίδια και τη θέση της έναρξης της οδού κανναβινοειδών/τερπενίων στο στρώμα του πλαστιδίου. Οι άφθονες θέσεις επαφής με τη μεμβράνη συνδέουν τους παρακρυσταλλικούς πυρήνες των πλαστιδίων με το πλαστιδικό περίβλημα, τα πλαστίδια με το ενδοπλασματικό δίκτυο (ER) και το ER με την πλασματική μεμβράνη.
Το τελικό βήμα στη βιοσύνθεση κανναβινοειδών, που καταλύεται από τη συνθάση τετραϋδροκανναβινολικού οξέος (THCAS), εντοπίστηκε στο τοίχωμα της κυτταρικής επιφάνειας, απέναντι από την εξωκυτταρική κοιλότητα αποθήκευσης. Προτείνουμε ένα νέο μοντέλο για το πώς τα κύτταρα κάνναβης μπορούν να διατηρήσουν την άφθονη παραγωγή μεταβολιτών, δίνοντας έμφαση στον βασικό ρόλο των θέσεων επαφής με τη μεμβράνη και της εξωκυτταρικής βιοσύνθεσης THCA. Αυτό το νέο μοντέλο μπορεί να ενημερώσει τις προσεγγίσεις συνθετικής βιολογίας για την παραγωγή κανναβινοειδών σε καλλιέργειες ζύμης ή κυττάρων.
«Μας βοηθά πραγματικά να καταλάβουμε πώς τα τριχομικά κύτταρα της κάνναβης μπορούν να παράγουν τεράστιες ποσότητες τετραϋδροκανναβινόλης (THC) και τερπενίων –ενώσεων που είναι τοξικές για τα φυτικά κύτταρα σε μεγάλες ποσότητες– χωρίς να αυτοδηλητηριάζονται», είπε ο Δρ Sam Livingston, βοτανολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βρετανίας Columbia, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας.
Για δεκαετίες, οι άνθρωποι έχουν καλλιεργήσει κάνναβη για τις φαρμακολογικές ιδιότητες που προκύπτουν από την κατανάλωση εξειδικευμένων μεταβολιτών της, κυρίως CBD και τερπενοειδή. Σήμερα, η παραγωγή της παγκόσμιας αγοράς κάνναβης των 20 δισεκατομμυρίων δολαρίων βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στη βιολογική δραστηριότητα μικροσκοπικών συστάδων κυττάρων, που ονομάζονται αδενικά τριχώματα, που βρίσκονται κυρίως στα άνθη του φυτού.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Current Biology, αποκαλύπτει τα μικροπεριβάλλοντα στα οποία παράγεται και μεταφέρεται η THC σε τριχώματα κάνναβης και ρίχνει φως σε πολλά κρίσιμα σημεία στην οδό της παραγωγής THC ή CBD εντός του κυττάρου.
Ο Δρ. Λίβινγκστον και ο συν-συγγραφέας Δρ. Λέισι Σάμιουελς χρησιμοποίησαν ταχεία κατάψυξη αδενικών τριχωμάτων κάνναβης για να ακινητοποιήσουν επί τόπου τις κυτταρικές δομές και τους μεταβολίτες των φυτών. Έτσι μπόρεσαν να μελετήσουν τα αδενικά τριχώματα της κάνναβης χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά μικροσκόπια που αποκάλυψαν την κυτταρική δομή σε νανοκλίμακα, δείχνοντας ότι τα μεταβολικά ενεργά κύτταρα της κάνναβης σχηματίζουν ένα «υπερκύτταρο» που λειτουργεί ως μικροσκοπικό μεταβολικό βιοεργοστάσιο.
Μέχρι τώρα, οι προσεγγίσεις της συνθετικής βιολογίας επικεντρώνονταν στη βελτιστοποίηση των ενζύμων που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή THC/CBD – όπως η κατασκευή ενός εργοστασίου με τα πιο αποτελεσματικά μηχανήματα για την παραγωγή όσο το δυνατόν περισσότερων προϊόντων. Ωστόσο, αυτές οι προσεγγίσεις δεν έχουν αναπτύξει έναν αποτελεσματικό τρόπο για τη μετακίνηση ενδιάμεσων ουσιών από το ένα ένζυμο στο άλλο ή από το εσωτερικό του κυττάρου στο εξωτερικό του κυττάρου όπου μπορούν να συλλεχθούν τα τελικά προϊόντα. Αυτή η έρευνα βοηθά στον καθορισμό των υποκυτταρικών «οδών μεταφοράς» που χρησιμοποιεί η κάνναβη για να δημιουργήσει έναν αποτελεσματικό αγωγό από τις πρώτες ύλες στα τελικά προϊόντα χωρίς να συσσωρεύει τοξίνες ή απόβλητα.
«Για περισσότερα από 40 χρόνια, όλα όσα σκεφτήκαμε για τα κύτταρα κάνναβης ήταν ανακριβή επειδή βασίζονταν σε χρονολογημένη ηλεκτρονική μικροσκοπία», λέει ο Δρ Σάμιουελς, βιολόγος φυτικών κυττάρων στο UBC. «Αυτή η εργασία ορίζει πώς τα κύτταρα κάνναβης παράγουν το προϊόν τους. Αυτή είναι μια αλλαγή παραδείγματος μετά από πολλά χρόνια, που παράγει ένα νέο όραμα για την παραγωγή κανναβινοειδών. Αυτή η εργασία ήταν δύσκολη, εν μέρει λόγω της νομικής απαγόρευσης και επίσης επειδή δεν έχει δημοσιευθεί πρωτόκολλο γενετικού μετασχηματισμού κάνναβης. »
Σήμερα γνωρίζουμε ότι:
- Τα αδενικά κύτταρα σχηματίζουν ένα πολωμένο συγκύτιο κατά την παραγωγή και έκκριση THCA.
- Το GPPS εντοπίζεται σε πλαστίδια που περιέχουν εμφανείς συντήξεις μεμβράνης.
- Το THCAS εντοπίζεται αποκλειστικά στην εξωκυτταρική επιφάνεια των τριχωμάτων.
- Οι επαφές μεμβράνης μεταξύ πλαστιδίων, ER και PM αποτελούν την αρχή ενός νέου σχεδίου κυκλοφορίας.
Αυτό το νέο μοντέλο μπορεί να ενημερώσει τις προσεγγίσεις συνθετικής βιολογίας για την παραγωγή κανναβινοειδών στη ζύμη, η οποία χρησιμοποιείται συνήθως στη βιοτεχνολογία. Χωρίς αυτά τα «hacks», δεν θα επιτύχουν ποτέ αποτελεσματική παραγωγή.
