大麻细胞制造大麻素的范式转变：研究人员揭示其背后高效「黑客」，为大麻素仿生合成提供新见解- 大数跨境

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大麻细胞制造大麻素的范式转变：研究人员揭示其背后高效「黑客」，为大麻素仿生合成提供新见解

生辉Agri Tech

2022-08-03

导读：填补了大麻素天然合成的知识空白。

今天，大麻是一个价值 200 亿美元的产业。

大麻的药用历史可以追溯到数千年前。其医学用途包括治疗化疗引起的恶心和呕吐，改善艾滋病患者的食欲，治疗慢性疼痛、肌肉痉挛和神经性疼痛等。其药理学特性来自特殊的代谢产物——大麻素和萜类化合物。

如今至少已从大麻植物中分离出 113 种大麻素，其中研究最成熟的有四氢大麻酚（tetrahydrocannabinol，THC），大麻二酚（cannabidiol，CBD）和大麻酚（cannabinol，CBN）。

尽管许多生物技术公司正在试图利用酵母或细胞培养物实现体外生产大麻素，但大麻植物体是如何产生它的，在很大程度上仍然未知。理解其自然产生的机制对于人工合成具有重要的指导意义。

近日发表在 Current Biology 的文章“A polarized supercell produces specialized metabolites in cannabis trichomes”首次定义了大麻的植物细胞用来制造大麻素（THC、CBD）的高效“黑客”。该研究揭示了 THC 在大麻毛状体中产生和运输的微环境，并阐明了在细胞内制造 THC 或 CBD 途径的几个关键点。

文章第一作者、不列颠哥伦比亚大学 Sam Livingston 博士说，“这确实有助于我们了解大麻毛状体中的细胞如何分泌出大量的四氢大麻酚萜烯——它们本身是对植物细胞有毒的化合物，但分泌它们的植物却不会中毒。这种新模型可以为利用酵母生产大麻素的合成生物学方法提供启发。虽然酵母在生物技术中被普遍使用，没若有这些'技巧'，就不会实现高效生产。”

大麻素的分泌依赖于具有生物活性的、微小的细胞簇，称为腺毛（glandular trichomes），主要存在于植物的花朵上。探索这些毛状体细胞（trichome cells）如何产生和分泌大量的亲脂性大麻素具有挑战性，因为活细胞成像方法受到大麻遗传转化方法和毛状体细胞高内在荧光的限制。

为了解决这一认知空白，研究人员使用了超快速冷冻冷冻、定量电子显微镜、针对大麻素途径中的酶的免疫胶体金技术研究了大麻的腺毛。

大麻腺毛的快速冷冻可以固定植物的细胞结构和原位代谢物。这使研究人员能够利用电子显微镜研究大麻腺毛，电子显微镜观察结果揭示了纳米级的细胞结构：分泌大麻素的代谢活性细胞会形成“超级细胞”，充当微小的“代谢生物工厂”——即极化细胞合胞体，它与下层组织没有可见的细胞质连接，这种共质体分离，为阻止代谢物从毛状体回流出来提供了一种潜在的机制。

在大麻毛状体细胞的整个分泌阶段，还观察到其丰富的膜接触位点，大量的膜接触位点将质体副晶芯与质体包膜、质体与内质网、内质网与质膜连接起来。

针对四氢大麻酸合酶（tetrahydrocannabinolic acid synthase，THCAS）的多克隆抗体实验表明，大麻素生物合成的最后一步位于面向细胞外储存腔的细胞壁表面。

总而言之，在这项研究中，冷冻、免疫标记和电子显微镜揭示了纳米级的大麻毛状体细胞结构，包括发现大麻素途径的关键酶的位点。这些结果使我们能够将大麻素和萜烯生物化学的最新进展与大麻腺细胞的特性相结合，为大麻特殊代谢提供必要的细胞学背景。这些相互连接的超级细胞内膜结构的紧密连接为大麻素生产和运输的新模型提供了证据，该模型重点是膜接触位点和细胞外四氢大麻酸合酶 THCA 生物合成的关键作用，可以为其他系统（如酵母或细胞培养）中的仿生合成生物学设计提供启发。

到目前为止，合成生物学方法一直专注于优化负责制造 THC、CBD 的酶，就像用最有效的机器建立一个工厂来尽可能多地制造产品。然而，尚未开发出一种有效的方法将中间物质从一种酶转移到另一种酶，或者从细胞内部移动到可以收集最终产物的细胞外部。这项研究有助于了解大麻素从原材料到最终产物的亚细胞水平“运输路线”，且不会积累毒素或废物。

“40 多年来，我们对大麻细胞的一切认识都是不精确的，因为它是基于已经过时的电子显微镜。”该文章的另一位作者、不列颠哥伦比亚大学生物成像系（BIF）学术主任 Lacey Samuels 教授说，“这项工作定义了大麻细胞如何制造大麻素。这是历经多年的范式转变，带来了大麻素生产的新见解。这项工作一直具有挑战性，部分原因是受限于相关法律，也是由于尚未公布的大麻遗传转化协议。

参考资料：

1.https://phys.org/news/2022-08-high-efficiency-hacks-cannabis-cells-cannabinoids.html

2.https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.07.014

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