Генетически модифицированные дрожжи для производства каннабиноидов

Исследователи из Университета Калифорнии (Беркли) внедрили в дрожжи гены посевной конопли (Cannabis sativa). В результате этой метаморфозы метаболизм микроорганизмов поменялся, и они получили способность вырабатывать каннабиноиды, причем как те, что содержатся в C. sativa, так и их «ненатуральные» аналоги [1].

Посевная конопля тысячелетиями выращивается по всему земному шару. Первоначально это растение использовалось как альтернатива льну для производства растительного волокна. В настоящее время каннабиноиды (психотропные вещества, выделенные впервые из растений семейства коноплевых) интенсивно изучают на предмет их применения в медицине [2], а часть из них уже используют как рецептурные средства для некоторых типов терапии [3].

Специалисты по медицинской химии и фармакологии говорят, что исследования в области медицинского применения каннабиноидов сдерживаются даже не законами, регламентирующими выращивание конопли. Дело в том, что в C. sativa невысоко содержание каннабиноидов, потенциально пригодных для медицины, а лабораторный синтез этих веществ сложен и малорентабелен. Заметим, что чаще всего речь не идет о психоактивных каннабиноидах, запрещенных в большинстве стран. Например, проведенные недавно клинические исследования показывают, что каннабидиол, который тоже можно выделить из C. sativa, имеет перспективы во вспомогательной терапии эпилепсии и как симптоматическое средство для купирования реактивных психозов, при этом он не отличается способностью «расширять сознание».

Биохимики из Беркли, работающие под руководством Джея Кислинга (Jay Keasling), предложили новый способ наработки количеств каннабиноидов, достаточных для медицинских исследований. Они предположили, что возможен биосинтез этих веществ генетически модифицированными организмами, и создали дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые, питаясь галактозой, синтезировали наиболее значимые каннабиноиды: каннабигерол, Δ9-тетрагидроканнабиноловую кислоту, каннабидивариновую кислоту и другие соединения. Для решения этой задачи были изменены некоторые собственные элементы обмена веществ S. cerevisiae. Кроме этого, в геном дрожжей вставили гены конопли, отвечающие за выработку ферментов, вовлеченных в биосинтез предшественника каннабиноидов — оливетоловой кислоты — непосредственно из углевода галактозы. Ну и естественно, что в ходе модификации в геном вставили гены, отвечающие за появление в организме ферментов-каннабиноидсинтаз, катализирующих непосредственно образование каннабиноидов.

Для того чтобы полностью восстановить цепочку биосинтеза каннабиноидов, потребовалось пересадить примерно десять генов C. sativa. Сложнее всего оказалось найти ген, который обеспечивал бы превращение оливетоловой кислоты в каннабигерол (каннабигероловую кислоту) — предшественник тетрагидроканнабинола и каннабидиола.

Как отмечает Кислинг, фермент, отвечающий за выработку каннабигерола, был описан в патентах, однако о нем не упоминалось в научной литературе. Первоначально исследователи ввели в дрожжи описанный ген, но оказалось, что он не работает. После этого пришлось искать «правильный» ген в C. sativa и у ее близких родственников. В итоге исследователям удалось найти подходящий фермент конопли, который смог работать в дрожжах.

После того как проблема с синтезом каннабигерола была решена, дела пошли проще, и, поочередно добавляя гены C. sativa, исследователи смогли вывести штамм дрожжей, способный превращать сахара в тетрагидроканнабинол и каннабидиол. В группе Кислинга смогли заставить дрожжи синтезировать не только хорошо известные каннабиноиды, но и более редкие структуры, включая ненатуральные (те, которые не вырабатываются в растениях). Для этого в питательную среду дрожжей помимо сахаров добавляли жирные кислоты, причем различное строение жирных кислот на входе позволяло получать каннабиноиды с различной структурой на выходе. По словам Кислинга, это обстоятельство может обеспечить прорыв в медицинской химии — возможность биосинтеза каннабиноидов, которые до настоящего времени удавалось получать лишь в количествах, недоступных для испытания биологических свойств.

Правда, следует отметить, что пока еще дрожжам удается получить весьма скромные количества каннабиноидов — 8 мг тетрагидроканнабинола на литр питательного раствора для дрожжей. Тем не менее Кислинг не теряет надежды масштабировать и коммерциализировать биохимическое получение каннабиноидов с помощью генетически модифицированных дрожжей. Он и его коллеги говорят, что несомненным преимуществом разработанного ими метода является исключительно высокая чистота образующихся каннабиноидов — они содержат гораздо меньше загрязнений, чем продукты, полученные в результате химического синтеза и даже выделенные из посевной конопли.

Не стоит опасаться (по крайней мере на современном уровне развития технологии), что генно-модифицированные дрожжи, производящие каннабиноиды, могут использоваться для нелегального производства психоактивных веществ. Дело даже не в низком выходе, который пока демонстрирует способ Кислинга, а в том, что для выращивания таких дрожжей требуется тщательно следить за условиями и в лаборатории, и в контейнере, в котором работают дрожжи. Незначительное изменение температуры, какие-либо загрязнения — всё может повлиять на эффективность биосинтеза каннабиноидов. Более того, уже около трех лет известно о генетически модифицированных штаммах дрожжей, которые, также используя в качестве сырья сахар, вырабатывают обезболивающие препараты с опиоидной структурой [4]. Создание этих организмов тоже никак не повлияло на рынок нелегальных опиоидов — подпольные лаборатории не могут обеспечить подходящие условия для дрожжей, способных получать психоактивные вещества, не говоря уже про то, что нелегальной лаборатории просто не под силу вывести соответствующий генетически модифицированный организм — а иного способа получить такие штаммы дрожжей у них не будет. В настоящий момент контроль за распространением таких генно-модифицированных организмов очень суров, поэтому возможность их попадания не в те руки исключена.

Аркадий Курамшин,
канд. хим. наук, доцент Химического института КФУ

1. Keasling J. D. et al. Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast // Nature. 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-0978-9
2. Whiting P. F. et al. Cannabinoids for medical use: a systematic review and meta-analysis // J Am. Med. Assoc.2015. 313. P. 2456–2473. DOI: 10.1001/jama.2015.6358
3. Hazekamp A., Ware M. A., Muller-Vahl K. R. Abrams D. & Grotenhermen F. The medicinal use of cannabis and cannabinoids — an international cross-sectional survey on administration forms // J. Psychoactive Drugs. 2013. 45. P. 199–210. DOI: 10.1080/02791072.2013.805976
4. Galanie S., Thodey K., Trenchard I. J., Filsinger Interrante M., Smolke C. D. Complete biosynthesis of opioids in yeast // Science. 2015. Vol. 349. Issue 6252. Р. 1095–1100. DOI: 10.1126/science.aac9373