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Wissenschaft

Polarisierte Superzellen produzieren spezialisierte Metaboliten in Cannabis-Trichomen

Forscher identifizieren hocheffiziente Mechanismen, die von Cannabiszellen zur Herstellung von Cannabinoiden verwendet werden

Zum ersten Mal haben Biologen die ertragreichen „Tricks“ definiert, die Cannabiszellen anwenden, um Cannabinoide (THC/CBD) herzustellen. Obwohl viele Biotech-Unternehmen derzeit versuchen, THC/CBD außerhalb der Pflanze, in Hefe oder Zellkulturen herzustellen, ist noch unklar, wie die Pflanze dies auf natürliche Weise tut.

Seit Jahrhunderten kultivieren Menschen Cannabis wegen der pharmakologischen Eigenschaften, die sich aus dem Konsum seiner spezialisierten Metaboliten, hauptsächlich Cannabinoide und Terpenoide, ergeben. Heute ist Cannabis eine milliardenschwere Industrie, deren Existenz auf der biologischen Aktivität winziger Zellhaufen beruht, die als Drüsentrichome bezeichnet werden und hauptsächlich auf Blüten zu finden sind.

Drüsentrichome von Cannabis verändern die Morphologie und den Metabolitengehalt während der Blütenreifung

Cannabinoide sind für Cannabiszellen toxisch, und es ist nicht bekannt, wie die Zellen von Cannabis wirken Trichome können riesige Mengen produzieren und absondern lipophile Stoffwechselprodukte. Um diese Wissenslücke zu schließen, untersuchten wir Trichome der Cannabis-Drüsen mithilfe von ultraschneller Kryofixierung, quantitativer Elektronenmikroskopie und Goldmarkierung von Enzymen des Cannabinoid-Stoffwechselwegs.

Studie zeigt, dass stoffwechselaktive Cannabiszellen eine „Superzelle“ bilden, mit ausgedehnten zytoplasmatischen Brücken über Zellwände und a polare Verteilung von Organellen neben der apikalen Oberfläche, wo die Metaboliten sezerniert werden. Die vorhergesagte metabolische Rolle von nicht-photosynthetischen Plastiden wird durch ungewöhnliche Membrannetzwerke in Plastiden und die Position des Beginns des Cannabinoid/Terpen-Stoffwechselwegs im Plastidenstroma gestützt. Zahlreiche Membrankontaktstellen verbinden die parakristallinen Kerne der Plastiden mit der Plastidenhülle, die Plastiden mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) und das ER mit der Plasmamembran.

Der letzte Schritt der Cannabinoid-Biosynthese, katalysiert durch Tetrahydrocannabinolsäure-Synthase (THCAS), war in der Zelloberflächenwand lokalisiert, gegenüber der extrazellulären Speicherhöhle. Wir schlagen ein neues Modell vor, wie Cannabiszellen eine reichliche Metabolitenproduktion aufrechterhalten können, und betonen die Schlüsselrolle von Membrankontaktstellen und der extrazellulären THCA-Biosynthese. Dieses neue Modell könnte Ansätze der synthetischen Biologie für die Cannabinoidproduktion in Hefe- oder Zellkulturen informieren.

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

Jahrzehntelang haben Menschen Cannabis wegen der pharmakologischen Eigenschaften angebaut, die sich aus dem Konsum seiner spezialisierten Metaboliten ergeben, hauptsächlich CBD und Terpenoide. Heute hängt die Produktion des 20 Milliarden US-Dollar schweren globalen Cannabismarktes stark von der biologischen Aktivität winziger Zellklumpen ab, die als Drüsentrichome bezeichnet werden und hauptsächlich auf den Blüten der Pflanze zu finden sind.

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Die Studie, veröffentlicht in Current Biology, enthüllt die Mikroumgebungen, in denen THC produziert und in Cannabistrichomen transportiert wird, und beleuchtet mehrere kritische Punkte im Weg der THC- oder CBD-Produktion innerhalb der Zelle.

Dr. Livingston und Co-Autor Dr. Lacey Samuels nutzten das schnelle Einfrieren von Drüsentrichomen von Cannabis, um pflanzliche Zellstrukturen und Metaboliten in situ zu immobilisieren. So konnten sie die drüsigen Trichome von Cannabis mit Elektronenmikroskopen untersuchen, die die Zellstruktur im Nanomaßstab enthüllten und zeigten, dass die stoffwechselaktiven Zellen von 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 zu einem anderen oder von innerhalb der Zelle nach außerhalb der Zelle zu bewegen, wo die 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 Giftstoffe oder Abfall anzusammeln.

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„Mehr als 40 Jahre lang war alles, was wir über Cannabiszellen dachten, falsch, weil es auf veralteter Elektronenmikroskopie basierte“, sagt Dr. Samuels, Pflanzenzellbiologe an der UBC. „Diese Arbeit definiert, wie Cannabiszellen ihr Produkt herstellen. Dies ist ein Paradigmenwechsel nach vielen Jahren, der eine neue Vision der Cannabinoidproduktion hervorbringt. Diese Arbeit war schwierig, zum Teil wegen des gesetzlichen Verbots und auch, weil kein Protokoll zur genetischen Transformation von Cannabis veröffentlicht wurde. »

Heute wissen wir das:

  • Drüsenzellen bilden während der Produktion und Sekretion von THCA ein polarisiertes Synzytium.
  • GPPS ist in Plastiden lokalisiert, die auffällige Membranfusionen enthalten.
  • THCAS ist ausschließlich auf der extrazellulären Oberfläche von Trichomen lokalisiert.
  • Membrankontakte zwischen Plastiden, ER und PM sind der Ursprung eines neuen Verkehrsmusters.

Dieses neue Modell könnte Ansätze der synthetischen Biologie für die Cannabinoidproduktion in Hefe, die üblicherweise in der Biotechnologie verwendet wird, informieren. Ohne diese „Hacks“ werden sie niemals eine effiziente Produktion erreichen.


Tags : genetischSuchesynthetischTerpentrichome
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Der Autor weedmaster

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