Saccharomyces cerevisiae, snímek z elektronového mikroskopu. Kredit: Mogana Das Murtey a Patchamuthu Ramasamy, Wikipedia.

Celý projekt vznikl díky vložení konopných signalizačních enzymů do kvasinek. Přesně do těch kvasinek, které známe z pivovarnictví, vinařství nebo pekařství. Kvasinky byly „přinuceny“, aby konopnou signalizaci přijaly za svou. To znamená, že místo aby z cukru vyráběly alkohol, začaly z cukru produkovat kanabinoidy. Kanabinoidy (z lat. Cannabis – konopí) jsou látky, vyskytující se v přírodě nejen v rostlinách konopí, ale byly zjištěny i v mateřském mléce savců, včetně člověka. Zatím jich bylo objeveno přes 100 druhů. Mezi nejvýznamnější patří tetrahydrokanabinol (THC), kanabidiol (CBD), kanabinol (CBN) a kanabichromen (CBC).

Pokud se bavíme o kanabinoidech obsažených v konopí, je dobré si představit rodokmen, kde všechny kanabinoidy pochází z výchozí látky, takzvaného prekurzoru, tím je kyselina kanabigerolová (CBGA). Jak rostlina roste, prochází různými chemickými změnami. S každou změnou vznikají nové kanabinoidy, některé změní svou strukturu a jiné zcela zmizí. Uvnitř rostliny existují všechny kanabinoidy v surové, kyselé formě. CBD například začíná svůj život jako CBDA (kanabidiolová kyselina), THC se rodí z  THCA (tetrahydrokanabinolová kyselina). Tyto kyselé sloučeniny nemohou interagovat s naším endokanabonoidním systémem („endo“ znamená uvnitř těla a kanabinoid je aktivní složka konopí, se kterou receptory reagují). Musíme je dekarboxylací přeměnit na aktivovanou formu ("de" znamená odstranit, zatímco "karb" značí uhlík). Dekarboxylace je proces, kdy se za tepla přemění surový kanabinoid na kanabinoid aktivovaný. A přesně o to vědcům jde, mít možnost v laboratoři vyprodukovat aktivované kanabinoidy.

THC a CBD vznikají ze stejné molekuly, proto jsou si tak podobné. Kredit: www.hemps.cz

Zní to všechno pěkně, ale možná se ptáte proč? Proč nevyužít toho, co nám příroda nabízí a produkuje sama? Proč „znásilňovat“ kvasinky, aby produkovaly něco, co jim není vlastní? Žijeme v době, kdy obliba konopí nebývale roste. Teď nemluvím o kouření, ale spíše o kosmetickém a farmaceutickém průmyslu. Zde kanabinoidy našly uplatnění v péči o pokožku, léčbě dětských epileptických záchvatů a zmírňování příznaků Parkinsonovy choroby. Kanabinoidy také pomáhají bojovat s chronickou bolestí a úzkostí. Proto se přistoupilo k velkoplošnému pěstování konopí, které je energeticky náročné a zároveň devastuje přírodu. Dochází tak k odvodňování půdy a erozím, protože konopí je rostlina náročná na vodu. Proto vědci přišli s nápadem toužené kanabinoidy syntetizovat v laboratoři. Narazili ale na strukturní komplexnost kanabinoidů, která znemožňovala hromadnou chemickou syntézu.

Východiskem se stala syntéza kanabinoidů v kvasinkách. Tato metoda je levná a dovoluje produkci ve velkém. Navíc umožňuje produkci rozšířit na celý repertoár kanabinoidů. Vedle přírodních se tak dají produkovat i kanabinoidy nepřírodní, takzvaně post-fermentačně upravené.

Poznáváme přírodu: „Poštolka“. Foto: J. Pazdera.

Aby vědci mohli k syntéze přistoupit, museli nejprve rozšířit repertoár kvasinkového metabolismu. Ve zkratce, nejprve bylo nutné v kvasinkách vyprodukovat geranyl pyrofosfát (GPP), který je prekurzorem pro kanabigerolovou kyselinu (CBGA). Pro produkci GPP vědci do kvasinek vložili geny získané z bakterií mléčného kvašení (Enterococcus faecalis). Následovala přeměna CBGA na CBDA a THCA, pro kterou je nezbytný geranyl-difosfát: geranyltransferása olivetové kyseliny (GOT). Ta však v kvasinkách není běžně aktivní. Výzkumníci chytře použili prenyltransferázu z konopí, která GOT v kvasinkách aktivovala a produkce CBDA a THCA mohla vesele pokračovat.

Poté, co byla vlastní kanabinoidová dráha prozkoumána, přešlo se k produkci nepřírodních kanabinoidů. To jsou takové kanabinoidy, které nelze produkovat základní drahou. Jsou často obohaceny o další chemické skupiny, říkáme jim analogy kanabinoidů. V hledáčku jsou zejména části molekuly, které se podílí na biologické/farmakologické interakci, takzvané farmakofory. Například postranní řetězec molekuly THC. Přímou produkcí aktivních částí molekuly ubyde nákladů spojených s modifikacemi prekurzorů a jejich derivatizacemi.

Tento výzkum předkládá základy pro budoucí velkoformátovou fermentaci kanabinoidů, která není závislá na kultivaci konopí, a tudíž nepředstavuje ekologickou zátěž. Možnost kontrolovat tok signálních drah v kvasinkách slibuje rozšíření repertoáru získaných kanabinoidů, které povede k výrobě nových a lépe optimalizovaných léčiv.

Zdroje

Xiaozhou Luo, et al.:Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast, Nature 567, 123–126(2019)

https://cs.wikipedia.org/wiki/Kanabinoid

https://www.cibdol.cz/cbd-encyklopedie/co-je-to-dekarboxylace-a-proc-je-dulezita-pro-cbd