นักวิจัยระบุกลไกที่มีประสิทธิภาพสูงที่ใช้โดยเซลล์กัญชาเพื่อผลิตสารแคนนาบินอยด์
เป็นครั้งแรกที่นักชีววิทยาได้กำหนด "กลเม็ด" ที่ให้ผลตอบแทนสูงที่เซลล์กัญชาใช้ในการผลิตแคนนาบินอยด์ (THC/CBD) แม้ว่าบริษัทเทคโนโลยีชีวภาพหลายแห่งกำลังพยายามผลิต THC/CBD นอกโรงงาน ในการเพาะเลี้ยงยีสต์หรือเซลล์ แต่ก็ยังไม่ชัดเจนว่าโรงงานทำสิ่งนี้ตามธรรมชาติได้อย่างไร
เป็นเวลาหลายศตวรรษมาแล้วที่มนุษย์ได้ปลูกฝังกัญชาเพื่อคุณสมบัติทางเภสัชวิทยาซึ่งเป็นผลมาจากการบริโภคสารเมแทบอไลต์เฉพาะของกัญชา ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสารแคนนาบินอยด์และเทอร์พีนอยด์ ทุกวันนี้ กัญชาเป็นอุตสาหกรรมมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ ซึ่งการดำรงอยู่อาศัยกิจกรรมทางชีววิทยาของกลุ่มเซลล์เล็กๆ ที่เรียกว่าต่อมไทรโคม ซึ่งส่วนใหญ่พบในดอกไม้
Trichomes ต่อมกัญชาเปลี่ยนแปลงลักษณะทางสัณฐานวิทยาและปริมาณเมตาโบไลต์ในระหว่างการสุกของดอก
สารแคนนาบินอยด์เป็นพิษต่อเซลล์กัญชา และไม่รู้ว่าเซลล์ของกัญชาเป็นอย่างไร ไทรโครมสามารถผลิตและหลั่งได้จำนวนมาก เมแทบอลิซึมของไขมัน เพื่อแก้ไขช่องว่างความรู้นี้ เราศึกษาต่อมไทรโคมของต่อมกัญชาโดยใช้การแช่แข็งอย่างรวดเร็วเป็นพิเศษ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเชิงปริมาณ และการติดฉลากทองของเอนไซม์ทางเดินของแคนนาบินอยด์
การศึกษาแสดงให้เห็นว่าเซลล์กัญชาที่มีฤทธิ์เมตาบอลิซึมสร้าง 'ซูเปอร์เซลล์' โดยมีสะพานไซโตพลาสซึมที่กว้างขวางข้ามผนังเซลล์และ การกระจายขั้วโลก ของออร์แกเนลล์ที่อยู่ติดกับพื้นผิวปลายยอดซึ่งเมตาบอไลต์จะถูกหลั่งออกมา บทบาทการเผาผลาญที่คาดการณ์ไว้ของพลาสติดที่ไม่สังเคราะห์ด้วยแสงได้รับการสนับสนุนโดยโครงข่ายเมมเบรนที่ผิดปกติในพลาสมิดและตำแหน่งของจุดเริ่มต้นของวิถีแคนนาบินอยด์/เทอร์พีนในพลาสติดสโตรมา บริเวณที่สัมผัสกับเมมเบรนจำนวนมากเชื่อมต่อนิวเคลียสพาราคริสตัลไลน์ของพลาสติดเข้ากับซองพลาสติด พลาสติดเข้ากับเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (ER) และ ER กับเมมเบรนพลาสมา
ขั้นตอนสุดท้ายในการสังเคราะห์ทางชีวภาพของ cannabinoid ซึ่งเร่งปฏิกิริยาโดย tetrahydrocannabinolic acid synthase (THCAS) ถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในผนังผิวเซลล์ ตรงข้ามกับช่องเก็บนอกเซลล์ เราขอเสนอรูปแบบใหม่ว่าเซลล์กัญชาสามารถรักษาการผลิตเมตาโบไลต์ได้มากได้อย่างไร โดยเน้นที่บทบาทสำคัญของตำแหน่งที่สัมผัสกับเมมเบรนและการสังเคราะห์ THCA นอกเซลล์ โมเดลใหม่นี้อาจแจ้งแนวทางชีววิทยาสังเคราะห์สำหรับการผลิตแคนนาบินอยด์ในยีสต์หรือเซลล์เพาะเลี้ยง
“มันช่วยให้เราเข้าใจว่าเซลล์กัญชาไตรโคมสามารถผลิตเตตระไฮโดรแคนนาบินอล (THC) และเทอร์ปีนในปริมาณมหาศาลได้อย่างไร – สารประกอบที่เป็นพิษต่อเซลล์พืชในปริมาณมาก – โดยไม่เป็นพิษต่อตัวเอง ดร. แซม ลิฟวิงสตัน นักพฤกษศาสตร์จากมหาวิทยาลัยอังกฤษ กล่าว โคลัมเบียซึ่งเป็นผู้นำการวิจัย
เป็นเวลาหลายทศวรรษที่มนุษย์ได้ปลูกฝังกัญชาเพื่อคุณสมบัติทางเภสัชวิทยาซึ่งเป็นผลมาจากการบริโภคสารเมแทบอไลต์เฉพาะของกัญชา ซึ่งโดยหลักแล้วคือ CBD และ terpenoids วันนี้ การผลิตของตลาดกัญชาทั่วโลกมูลค่า 20 หมื่นล้านเหรียญขึ้นอยู่กับกิจกรรมทางชีวภาพของกลุ่มเซลล์เล็กๆ ที่เรียกว่าต่อมไทรโคม ซึ่งส่วนใหญ่พบที่ดอกของพืช .
การศึกษาที่ตีพิมพ์ใน ชีววิทยาปัจจุบันเผยให้เห็นสภาพแวดล้อมจุลภาคที่ THC ถูกผลิตและขนส่งใน Trichomes ของกัญชา และให้ความกระจ่างเกี่ยวกับจุดวิกฤตหลายจุดในวิถีการผลิต THC หรือ CBD ภายในเซลล์
ดร. ลิฟวิงสตันและผู้เขียนร่วม ดร. เลซีย์ ซามูเอลส์ ใช้การแช่แข็งต่อมไทรโคมของกัญชาอย่างรวดเร็วเพื่อทำให้โครงสร้างเซลล์ของพืชและเมตาบอลิซึมในแหล่งกำเนิดไม่เคลื่อนที่ ดังนั้น พวกเขาจึงสามารถศึกษาต่อมไทรอยด์ของกัญชาโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งเผยให้เห็นโครงสร้างเซลล์ที่ระดับนาโน แสดงให้เห็นว่าเซลล์ที่มีการเผาผลาญของกัญชาก่อให้เกิด "ซูเปอร์เซลล์" ซึ่งทำหน้าที่เป็นโรงงานชีวภาพการเผาผลาญขนาดเล็ก
จนถึงปัจจุบัน แนวทางชีววิทยาสังเคราะห์ได้มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการผลิต THC/CBD เหมือนการสร้างโรงงานด้วยเครื่องจักรที่มีประสิทธิภาพสูงสุดเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ให้ได้มากที่สุด . อย่างไรก็ตาม วิธีการเหล่านี้ไม่ได้พัฒนาวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเคลื่อนย้ายสารขั้นกลางจากเอนไซม์หนึ่งไปยังอีกเอนไซม์หนึ่ง หรือจากภายในเซลล์ไปยังภายนอกเซลล์ที่สามารถเก็บผลิตภัณฑ์สุดท้ายได้ งานวิจัยนี้ช่วยกำหนด "เส้นทางการขนส่ง" ของเซลล์ย่อยที่กัญชาใช้เพื่อสร้างท่อส่งที่มีประสิทธิภาพตั้งแต่วัตถุดิบไปจนถึงผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายโดยไม่สะสมสารพิษหรือของเสีย
“กว่า 40 ปี ทุกสิ่งที่เราคิดเกี่ยวกับเซลล์กัญชานั้นไม่ถูกต้อง เพราะมันใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเก่า” ดร.ซามูเอลส์ นักชีววิทยาด้านเซลล์พืชที่ UBC กล่าว “งานนี้กำหนดวิธีที่เซลล์กัญชาสร้างผลิตภัณฑ์ นี่เป็นการเปลี่ยนกระบวนทัศน์หลังจากผ่านไปหลายปี ทำให้เกิดวิสัยทัศน์ใหม่เกี่ยวกับการผลิตสารแคนนาบินอยด์ งานนี้ทำได้ยาก ส่วนหนึ่งเป็นเพราะข้อห้ามทางกฎหมายและเพราะไม่มีการเผยแพร่โปรโตคอลการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมของกัญชา »
วันนี้เรารู้ว่า:
- เซลล์ต่อมสร้างซินซิเทียมโพลาไรซ์ระหว่างการผลิตและการหลั่ง THCA
- GPPS ถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในพลาสมิดที่มีการหลอมรวมของเมมเบรนที่เห็นได้ชัดเจน
- THCAS มีการแปลเฉพาะบนพื้นผิวนอกเซลล์ของไตรโคม
- หน้าสัมผัสเมมเบรนระหว่าง plastids, ER และ PM เป็นจุดเริ่มต้นของรูปแบบการจราจรใหม่
โมเดลใหม่นี้อาจแจ้งแนวทางชีววิทยาสังเคราะห์สำหรับการผลิตแคนนาบินอยด์ในยีสต์ ซึ่งมักใช้ในเทคโนโลยีชีวภาพ หากปราศจาก "การแฮ็ก" เหล่านี้ พวกเขาก็จะไม่สามารถผลิตผลงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ
