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科学家在大麻毛状体中发现了新的细胞过程

2022-08-07 05:30:36

有柄腺毛的多光子显微镜图像。图片来源:塞缪尔斯实验室/UBC


大麻叶内的世界比以往任何时候都更加清晰。

在冷冻大麻叶并通过定量电子显微镜观察细胞后,不列颠哥伦比亚大学的科学家表示,他们对大麻毛状体的内部运作有了新的发现——大麻叶的微小“毛发”会产生植物令人垂涎的大麻素据研究人员称,这些发现可能有助于在酵母和细胞培养物中合成大麻素。

在毛状体下

虽然人们对大麻产生的化学物质知之甚少——例如 THCA 和 CBDA,它们在加热时会形成 THC 和 CBD——但人们对这种植物如何生产它们知之甚少。

“在我们开始这个项目之前所知道的是,非光合作用质体 [植物‘微器官’] 的形状非常不寻常,并且参与制造大麻素的前体,而大麻素最终储存在细胞外领导这项研究的不列颠哥伦比亚大学植物学家 Sam Livingston 博士告诉Analytical Cannabis说,毛状体顶部有蘑菇状的储存腔

“我们不知道的是大麻素形成的最后一步(THC、CBD 等)发生在哪里,以及前体如何能够从它们的生产地到它们转化为 CBD 的地方。”

有柄、无柄和球根状腺毛的显微镜图像。图片来源:塞缪尔实验室/UBC


为了发现更多,利文斯顿和他的同事用液氮冷冻叶子样本(以固定内部细胞活动),并用透射电子显微镜对叶子的毛状体进行成像。他们做了一些非凡的观察。例如,他们注意到构成毛状体分泌盘的产生 THCA 的细胞是高度相互关联的。这些连接允许质体的转移,质体是产生像香叶基二磷酸这样的代谢物的“微器官”,这是制造像 THCA 这样的大麻素所必需的。研究人员说,这些相互连接的细胞构成了 THCA 生产的“超级细胞”。

在进一步检查毛状体的质体后,研究人员发现,与典型的植物质体(含有用于光合作用的叶绿体)不同,大麻毛状体含有精致的膜。研究小组假设这些膜支持大麻素和萜烯代谢物的生物合成和运输

该团队还发现了关于 THCA 合酶的另一项发现,该酶是催化 THCA 产生的酶。通过将该酶与发出视觉标记的抗体结合,他们观察到 THCA 合酶主要位于椎间盘细胞的顶端细胞壁中。这一发现首次证实了长期以来的预测,即 THCA 合酶是细胞外的。


腺毛的多光子显微镜图像。图片来源:塞缪尔实验室/UBC


“我们在大麻中首次展示的证据表明,THC 完全是在细胞外制造的——在腺毛的所谓储存腔中,”利文斯顿告诉Analytical Cannabis。“这对我们提出了重要的问题。特别是,四氢大麻酚的前体如何从质体中排出细胞,而不会导致这些化学物质的毒性积聚?之前的显微镜研究表明,自这些研究发表以来,我们从对其他植物的 30 多年研究中了解到的细胞机制与我们现在所知道的不一致。”

“我们保存这些毛状体的方法是用最现代的方法完成的,称为冷冻固定,这些方法可以最好地代表它们的生活状态。这使我们能够看到以前研究无法看到的结构,并让我们提出了一个全新的模型,说明大麻素及其前体如何从其生产地点到达储存腔的最终目的地。”

微生物制造的大麻

利文斯顿和他的同事说,他们的发现——特别是发现毛状体相互连接的“超级细胞”——可以改写公认的大麻素生产模型。他们说,这种新模型可以继续为酵母和其他微生物中大麻的工业合成生产提供信息。这种合成生产依赖于将产生大麻素的基因从大麻植物中遗传移植到可以连续生产大麻化学物质的微生物中。一家投资于大麻素生产新时代的公司是德国制药公司 Farmako GmbH。

早在 2019 年,Farmako 的首席科学官兼联合创始人帕特里克·施密特 (Patrick Schmitt)在接受Analytical Cannabis采访时表示,大麻种植的谦逊、绿色实践可能过于有限,无法应对新大麻产业的巨大市场需求。“我认为这是一个在 100 年前尝试的过程,但在 21 世纪不会,”他说。“对大麻素的需求很高。但是,对于一个工厂来说,你需要很大的空间,你需要很多的水,你必须建造温室,你必须在 GMP [良好生产规范] 条件下为医疗用户耕种土地。我只是认为整个过程与我们今天从技术中获得的可能性不匹配。”

该公司的合成方法依赖于一种细菌——运动发酵单胞菌——一种常用于生产龙舌兰酒的微生物——的作用。但施密特和他的团队没有将糖转化为酒精,而是对细菌进行了基因改造,从而产生了大麻素。 

“我们的细菌具有一个特定的优势:它将大麻素吐出到外部介质中,”他说。“所以我们可以有更高的数量,因为生产过程没有限制。”

微信号|工麻生物CBD

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