Forscher identifizieren die hocheffizienten Hacks, die Cannabiszellen verwenden, um Cannabinoide herzustellen

Zum ersten Mal haben Pflanzenbiologen die hocheffizienten „Hacks“ definiert, die Cannabiszellen verwenden, um Cannabinoide (THC/CBD) herzustellen. Obwohl viele Biotechnologieunternehmen derzeit versuchen, THC/CBD außerhalb der Pflanze in Hefe- oder Zellkulturen herzustellen, ist weitgehend unbekannt, wie die Pflanze dies auf natürliche Weise tut.

„Das hilft uns wirklich zu verstehen, wie die Zellen in Cannabis-Trichomen riesige Mengen an Tetrahydrocannabinol (THC) und Terpenen ausstoßen können – Verbindungen, die in großen Mengen für die Pflanzenzellen toxisch sind – ohne sich selbst zu vergiften“, sagt Dr. Sam Livingston, ein Botaniker an der University of British Columbia, der die Forschung leitete.

„Dieses neue Modell kann Ansätze der synthetischen Biologie für die Cannabinoidproduktion in Hefe, die routinemäßig in der Biotechnologie verwendet wird, informieren. Ohne diese ‚Tricks‘ werden sie niemals eine effiziente Produktion erreichen.“

Seit Jahrhunderten kultivieren Menschen Cannabis wegen der pharmakologischen Eigenschaften, die sich aus dem Konsum seiner spezialisierten Metaboliten ergeben, hauptsächlich CBD und Terpenoide. Heutzutage stützt sich die Produktion auf dem 20 Milliarden US-Dollar schweren globalen Cannabismarkt weitgehend auf die biologische Aktivität winziger Zellhaufen, sogenannter Drüsentrichome, die hauptsächlich auf den Blüten der Pflanze zu finden sind.

Die heute veröffentlichte Studie in Aktuelle Biologieenthüllt die Mikroumgebungen, in denen THC produziert und in Cannabis-Trichomen transportiert wird, und beleuchtet mehrere kritische Punkte auf dem Weg der Herstellung von THC oder CBD innerhalb der Zelle.

Dr. Livingston und Co-Autor Dr. Lacey Samuels verwendeten schnelles Einfrieren von Drüsentrichomen von Cannabis, um die Zellstrukturen der Pflanze und die Metaboliten in situ zu immobilisieren. Dies ermöglichte es ihnen, Drüsentrichome von Cannabis mit Elektronenmikroskopen zu untersuchen, die die Zellstruktur auf Nanoebene enthüllten und zeigten, dass die metabolisch aktiven Zellen in Cannabis eine „Superzelle“ bilden, die als winzige metabolische Biofabrik fungiert.

Bisher konzentrierten sich Ansätze der synthetischen Biologie auf die Optimierung der Enzyme, die für die Herstellung von THC/CBD verantwortlich sind – wie der Bau einer Fabrik mit den effizientesten Maschinen, um so viele Produkte wie möglich herzustellen. Diese Ansätze haben jedoch keinen effizienten Weg entwickelt, um Zwischensubstanzen von einem Enzym zum anderen oder von innerhalb der Zelle zur Außenseite der Zelle zu transportieren, wo Endprodukte gesammelt werden können. Diese Forschung hilft dabei, die subzellulären „Versandwege“ zu definieren, die Cannabis verwendet, um eine effiziente Pipeline von den Rohstoffen zu den Endprodukten zu schaffen, ohne dass sich Giftstoffe oder Abfallprodukte ansammeln.

„Mehr als 40 Jahre lang war alles, was wir über Cannabiszellen dachten, ungenau, weil es auf veralteter Elektronenmikroskopie basierte“, sagt Dr. Samuels, ein Pflanzenzellbiologe an der UBC. „Diese Arbeit definiert, wie Cannabiszellen ihr Produkt herstellen. Es ist ein Paradigmenwechsel nach vielen Jahren, der eine neue Sicht auf die Cannabinoidproduktion hervorgebracht hat. Diese Arbeit war eine Herausforderung, teilweise das Ergebnis eines gesetzlichen Verbots und auch aufgrund der Tatsache, dass kein Protokoll für die genetische Transformation von Cannabis wurde veröffentlicht.“