酵母生产低成本、高质量的大麻素

2020-11-12 302酵母菌

酵母生产低成本、高质量的大麻素。加州大学伯克利分校的合成生物学家设计了酿酒酵母,以生产大麻的主要成分 -- -- 改变精神的THC和非精神活性的CBD -- -- 以及植物本身没有的新型大麻素。

研究背景

酵母只以糖为食,是生产纯大麻素的一种简单而廉价的方法,而如今从大麻植物(Cannabis sativa)的芽中提取大麻素的成本很高。

"对于消费者来说,好处是高质量,低成本的CBD和THC:你可以从酵母中获得你想要的东西,"加州大学伯克利分校化学和生物分子工程和生物工程教授、劳伦斯伯克利国家实验室的教职科学家Jay Keasling说。"这是一种更安全、更环保的生产大麻素的方式。"

大麻及其提取物,包括高诱导性的THC,或四氢大麻酚,现在在10个州和哥伦比亚特区是合法的,而娱乐性的大麻--吸食,vaped或作为食用物消费--是全国范围内数十亿美元的业务。含有THC的药物已被食品和药物管理局批准用于减少化疗后的恶心和改善艾滋病患者的食欲。

CBD,或称大麻二酚,越来越多地被用于化妆品--所谓的化妆品--并已被批准作为治疗儿童癫痫发作的药物。它正在被调查作为许多疾病的治疗方法,包括焦虑症、帕金森病和慢性疼痛。

但对大麻中的100多种其他化学物质的医学研究一直很困难,因为这些化学物质以极小的数量出现,使得它们很难从植物中提取。廉价的、更纯净的来源--比如酵母--可以让这种研究变得更容易。

另外,他补充说,"有可能出现基于新型大麻素的新疗法:那些几乎不可能从植物中获得的罕见的大麻素,或者那些不自然的大麻素,不可能从植物中获得。"

伯克利大学菲洛马西亚基金会替代能源主席Keasling和他的同事将于2月27日在线报告他们的成果,提前在《自然》杂志上发表。

将化学途径插入酵母中

大麻素加入了许多其他化学品和药物的行列,目前正在酵母中生产,包括人类生长激素、胰岛素、凝血因子以及最近尚未上市的吗啡和其他鸦片剂。

作为合成生物学的先驱之一,Keasling长期以来一直试图将酵母和细菌作为 "绿色 "药物工厂加以利用,以消除化学工业中常见的昂贵的合成或提取过程,以及通常有毒或破坏环境的化学副产品。

大麻种植是能源密集型和环境破坏型产业的一个典型例子。加利福尼亚州西北部的农场用杀虫剂和化肥径流污染了河流,并帮助流域排水,因为大麻植物需要水。非法种植导致了砍伐和水土流失。

在带有通风机的生长灯下进行的室内种植耗费了大量的能源,占每年电力消耗的比例越来越大。一项研究估计,加州的大麻产业占全州用电量的3%。室内种植已经导致一些城市停电,能源消耗可以使一磅大麻的价格增加1000多美元。

因此,基斯林对寻找一种 "绿色 "的方式来生产大麻中的活性化学物质很感兴趣。

酵母生产低成本、高质量的大麻素

"这是一个有趣的科学挑战,"他承认,这与他和他的团队在酵母菌中成功克服的其他挑战类似:生产抗疟药青蒿素;将植物废弃物转化为生物燃料;为食品和化妆品行业合成香精和气味,以及制造新材料的化学中间体。"但当你读到一些癫痫发作的患者,特别是儿童得到CBD帮助的案例时,你就会意识到这些分子是有一定价值的,在酵母中生产大麻素可能真的很不错。"

在美国缉毒局的批准和监督下--根据联邦法律,大麻仍然是非法的--伯克利博士后罗晓舟和领导该项目的访问研究生Michael Reiter开始在酵母中组装一系列化学步骤,以生产,最初,所有大麻素之母CBGA(cannabigerolic acid)。在大麻和酵母中,化学反应都涉及化合物的酸形式。CBGA及其衍生物,THCA和CBDA。当暴露于光和热时,它们很容易转化为CBG、THC和CBD。

酵母生产低成本、高质量的大麻素,将酵母菌变成化学工厂涉及到共同利用它们的新陈代谢,这样,例如,酵母菌不是将糖转化为酒精,而是将糖转化为其他化学物质,然后通过添加的酶进行修饰,以产生新的产品,如THC,酵母菌分泌到它们周围的液体中。研究人员最终在酵母中插入了十多个基因,其中许多是大麻植物用来合成大麻素的基因的拷贝。

然而,有一步被证明是Keasling的小组和竞争小组的一个障碍:在大麻植物中执行制造CBGA的关键化学步骤的一种酶在酵母中不起作用。

伯克利博士后Leo d'Espaux和研究生Jeff Wong没有设计不同的合成途径,而是回到植物本身,并分离出第二种酶,prenyl转移酶,做同样的事情,并将其卡在酵母中。

"它的工作就像黑帮一样,"Keasling说。

一旦他们有了酵母生产的CBGA,他们就添加了另一种酶来将CBGA转化为THCA,并添加了一种不同的酶来创建一条通往CBDA的途径。Keasling说,虽然酵母产生的产品主要是THC或CBD,但每一种产品仍必须与以极少量存在的其他化学物质分开。

他们还添加了酶,使酵母产生了另外两种天然大麻素,CBDV(cannabidivarin)和THCV(tetrahydrocannabivarin),其效果还不是很了解。

令人惊讶的是,小舟和迈克尔发现,在酵母菌中制造CBGA所涉及的酶解步骤非常灵活,可以接受各种起始化学物质--不同的脂肪酸来代替大麻植物所使用的己酸--生成植物本身不存在的大麻素。他们还让酵母菌将化学物质融入到大麻素中,以后可以在实验室中进行化学改变,为生产前所未见但有潜在医学用途的大麻素创造了另一条途径。

Keasling随后成立了一家位于加州Emeryville的公司Demetrix Inc.,d'Espaux和Wong后来也加入了这家公司,该公司从伯克利获得了使用酵母发酵制造大麻素的技术授权。

"经济效益看起来真的很好,"Keasling说。"对于植物提取的大麻素来说,成本是有竞争力的,或者说比它更好。而且制造商不必担心污染--例如CBD中的THC--会让你兴奋。"

引用

University of California - Berkeley. "Yeast produce low-cost, high-quality cannabinoids." ScienceDaily. ScienceDaily, 27 February 2019. www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190227131838.htm.

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