I ricercatori identificano i meccanismi ad alta efficienza utilizzati dalle cellule di cannabis per produrre cannabinoidi
Per la prima volta, i biologi hanno definito i "trucchi" ad alto rendimento che le cellule di cannabis usano per produrre cannabinoidi (THC/CBD). Sebbene molte aziende biotecnologiche stiano attualmente cercando di produrre THC/CBD al di fuori della pianta, in lievito o colture cellulari, non è ancora chiaro come la pianta lo faccia in modo naturale.
Per secoli, gli esseri umani hanno coltivato cannabis per le proprietà farmacologiche che derivano dal consumo dei suoi metaboliti specializzati, principalmente cannabinoidi e terpenoidi. Oggi, la cannabis è un'industria multimiliardaria la cui esistenza si basa sull'attività biologica di minuscoli ammassi di cellule, chiamati tricomi ghiandolari, che si trovano principalmente sui fiori.
I tricomi ghiandolari della cannabis alterano la morfologia e il contenuto di metaboliti durante la maturazione del fiore
I cannabinoidi sono tossici per le cellule della cannabis e non si sa come le cellule della cannabis i tricomi possono produrre e secernere enormi quantità metaboliti lipofili. Per colmare questa lacuna di conoscenza, abbiamo studiato i tricomi ghiandolari della cannabis utilizzando la criofissazione ultrarapida, la microscopia elettronica quantitativa e l'etichettatura dell'oro degli enzimi del percorso dei cannabinoidi.
Lo studio dimostra che le cellule di cannabis metabolicamente attive formano una "supercellula", con ampi ponti citoplasmatici attraverso le pareti cellulari e un distribuzione polare di organelli adiacenti alla superficie apicale dove vengono secreti i metaboliti. Il ruolo metabolico previsto dei plastidi non fotosintetici è supportato da insolite reti di membrana nei plastidi e dalla posizione dell'inizio della via cannabinoide/terpene nello stroma plastide. Abbondanti siti di contatto della membrana collegano i nuclei paracristallini dei plastidi all'involucro del plastidi, i plastidi al reticolo endoplasmatico (ER) e l'ER alla membrana plasmatica.
La fase finale della biosintesi dei cannabinoidi, catalizzata dall'acido tetraidrocannabinolico sintasi (THCAS), è stata localizzata nella parete della superficie cellulare, di fronte alla cavità di accumulo extracellulare. Proponiamo un nuovo modello di come le cellule di cannabis possono sostenere un'abbondante produzione di metaboliti, sottolineando il ruolo chiave dei siti di contatto della membrana e la biosintesi extracellulare del THCA. Questo nuovo modello potrebbe informare gli approcci della biologia sintetica per la produzione di cannabinoidi in lievito o colture cellulari.
"Ci aiuta davvero a capire come le cellule dei tricomi della cannabis possono produrre enormi quantità di tetraidrocannabinolo (THC) e terpeni - composti che sono tossici per le cellule vegetali in grandi quantità - senza avvelenarsi", ha affermato il dottor Sam Livingston, botanico dell'Università di British Columbia, che ha condotto la ricerca.
Per decenni, gli esseri umani hanno coltivato cannabis per le proprietà farmacologiche che derivano dal consumo dei suoi metaboliti specializzati, principalmente CBD e terpenoidi. Oggi, la produzione del mercato globale della cannabis da 20 miliardi di dollari dipende fortemente dall'attività biologica di minuscoli grumi di cellule, chiamati tricomi ghiandolari, che si trovano principalmente sui fiori della pianta.
Lo studio, pubblicato in Current Biology, rivela i microambienti in cui il THC viene prodotto e trasportato nei tricomi della cannabis e fa luce su diversi punti critici nel percorso di produzione di THC o CBD all'interno della cellula.
La dott.ssa Livingston e la coautrice dott.ssa Lacey Samuels hanno utilizzato il congelamento rapido dei tricomi ghiandolari della cannabis per immobilizzare le strutture cellulari delle piante e i metaboliti in situ. Sono stati così in grado di studiare i tricomi ghiandolari della cannabis utilizzando microscopi elettronici che hanno rivelato la struttura cellulare su scala nanometrica, dimostrando che le cellule metabolicamente attive della cannabis formano una "supercellula" che agisce come una minuscola biofabbrica metabolica.
Finora, gli approcci della biologia sintetica si sono concentrati sull'ottimizzazione degli enzimi responsabili della produzione di THC/CBD, come costruire una fabbrica con i macchinari più efficienti per realizzare quanti più prodotti possibile. Tuttavia, questi approcci non hanno sviluppato un modo efficiente per spostare le sostanze intermedie da un enzima all'altro o dall'interno della cellula all'esterno della cellula dove possono essere raccolti i prodotti finali. Questa ricerca aiuta a definire le "rotte di spedizione" subcellulari che la cannabis utilizza per creare una pipeline efficiente dalle materie prime ai prodotti finali senza accumulare tossine o rifiuti.
"Per più di 40 anni, tutto ciò che abbiamo pensato sulle cellule di cannabis era impreciso perché si basava su una microscopia elettronica datata", afferma il dottor Samuels, biologo di cellule vegetali presso l'UBC. “Questo lavoro definisce come le cellule di cannabis producono il loro prodotto. Questo è un cambio di paradigma dopo molti anni, che produce una nuova visione della produzione di cannabinoidi. Questo lavoro è stato difficile, in parte a causa del divieto legale e anche perché non è stato pubblicato alcun protocollo di trasformazione genetica della cannabis. »
Oggi sappiamo che:
- Le cellule ghiandolari formano un sincizio polarizzato durante la produzione e la secrezione di THCA.
- La GPPS è localizzata nei plastidi che contengono cospicue fusioni di membrane.
- Il THCAS è localizzato esclusivamente sulla superficie extracellulare dei tricomi.
- I contatti di membrana tra plastidi, ER e PM sono all'origine di un nuovo modello di traffico.
Questo nuovo modello potrebbe informare gli approcci della biologia sintetica per la produzione di cannabinoidi nel lievito, che è comunemente usato nella biotecnologia. Senza questi "hack", non raggiungeranno mai una produzione efficiente.
