Los investigadores identifican los mecanismos de alta eficiencia utilizados por las células del cannabis para producir cannabinoides
Por primera vez, los biólogos han definido los "trucos" de alto rendimiento que utilizan las células de cannabis para producir cannabinoides (THC/CBD). Aunque muchas compañías de biotecnología actualmente están tratando de producir THC/CBD fuera de la planta, en levaduras o cultivos celulares, aún no está claro cómo la planta lo hace de forma natural.
Durante siglos, los humanos han cultivado cannabis por las propiedades farmacológicas que resultan del consumo de sus metabolitos especializados, principalmente cannabinoides y terpenoides. Hoy en día, el cannabis es una industria multimillonaria cuya existencia depende de la actividad biológica de diminutos grupos de células, llamados tricomas glandulares, que se encuentran principalmente en las flores.
Los tricomas glandulares del cannabis alteran la morfología y el contenido de metabolitos durante la maduración de las flores
Los cannabinoides son tóxicos para las células del cannabis y no se sabe cómo las células del cannabis los tricomas pueden producir y secretar cantidades masivas metabolitos lipofílicos. Para abordar esta brecha de conocimiento, estudiamos los tricomas glandulares del cannabis mediante criofijación ultrarrápida, microscopía electrónica cuantitativa y marcaje dorado de las enzimas de la ruta de los cannabinoides.
El estudio demuestra que las células de Cannabis metabólicamente activas forman una 'supercélula', con extensos puentes citoplasmáticos a través de las paredes celulares y un distribución polar de orgánulos adyacentes a la superficie apical donde se secretan los metabolitos. El papel metabólico previsto de los plástidos no fotosintéticos está respaldado por redes de membranas inusuales en los plástidos y la ubicación del inicio de la ruta de los cannabinoides/terpenos en el estroma del plástido. Abundantes sitios de contacto con la membrana conectan los núcleos paracristalinos de los plástidos con la envoltura del plástido, los plástidos con el retículo endoplásmico (RE) y el RE con la membrana plasmática.
El paso final en la biosíntesis de cannabinoides, catalizada por la sintasa de ácido tetrahidrocannabinólico (THCAS), se localizó en la pared de la superficie celular, frente a la cavidad de almacenamiento extracelular. Proponemos un modelo novedoso de cómo las células de cannabis pueden mantener una producción abundante de metabolitos, enfatizando el papel clave de los sitios de contacto con la membrana y la biosíntesis extracelular de THCA. Este nuevo modelo puede informar los enfoques de biología sintética para la producción de cannabinoides en levaduras o cultivos celulares.
"Realmente nos ayuda a comprender cómo las células de los tricomas del cannabis pueden producir cantidades masivas de tetrahidrocannabinol (THC) y terpenos, compuestos que son tóxicos para las células de las plantas en grandes cantidades, sin envenenarse", dijo el Dr. Sam Livingston, botánico de la Universidad de British Columbia. Columbia, quien dirigió la investigación.
Durante décadas, los humanos han cultivado cannabis por las propiedades farmacológicas que resultan del consumo de sus metabolitos especializados, principalmente CBD y terpenoides. Hoy en día, la producción del mercado mundial de cannabis de $20 mil millones depende en gran medida de la actividad biológica de pequeños grupos de células, llamados tricomas glandulares, que se encuentran principalmente en las flores de la planta. .
El estudio, publicado en Current Biology, revela los microentornos en los que se produce y transporta el THC en los tricomas del cannabis, y arroja luz sobre varios puntos críticos en el camino de la fabricación de THC o CBD dentro de la célula.
La Dra. Livingston y la coautora, la Dra. Lacey Samuels, utilizaron la congelación rápida de tricomas glandulares de cannabis para inmovilizar las estructuras celulares y los metabolitos de las plantas in situ. Por lo tanto, pudieron estudiar los tricomas glandulares del cannabis utilizando microscopios electrónicos que revelaron la estructura celular a nanoescala, mostrando que las células metabólicamente activas del cannabis forman una "supercélula" que actúa como una pequeña biofábrica metabólica.
Hasta ahora, los enfoques de biología sintética se han centrado en optimizar las enzimas responsables de producir THC/CBD, como construir una fábrica con la maquinaria más eficiente para fabricar tantos productos como sea posible. Sin embargo, estos enfoques no han desarrollado una forma eficiente de mover sustancias intermedias de una enzima a otra, o desde el interior de la célula al exterior de la célula donde se pueden recolectar los productos finales. Esta investigación ayuda a definir las "rutas de envío" subcelulares que utiliza el cannabis para crear una tubería eficiente desde las materias primas hasta los productos finales sin acumular toxinas ni desechos.
“Durante más de 40 años, todo lo que pensábamos sobre las células de cannabis era inexacto porque se basaba en microscopía electrónica fechada”, dice el Dr. Samuels, biólogo de células vegetales de la UBC. “Este trabajo define cómo las células de cannabis elaboran su producto. Este es un cambio de paradigma después de muchos años, produciendo una nueva visión de la producción de cannabinoides. Este trabajo ha sido difícil, en parte por la prohibición legal y también porque no se ha publicado ningún protocolo de transformación genética del cannabis. »
Hoy sabemos que:
- Las células glandulares forman un sincitio polarizado durante la producción y secreción de THCA.
- GPPS se localiza en plástidos que contienen fusiones de membrana visibles.
- THCAS se localiza exclusivamente en la superficie extracelular de los tricomas.
- Los contactos de membrana entre plástidos, ER y PM están en el origen de un nuevo patrón de tráfico.
Este nuevo modelo puede informar los enfoques de biología sintética para la producción de cannabinoides en levadura, que se usa comúnmente en biotecnología. Sin estos “trucos”, nunca lograrán una producción eficiente.
