Инновационный биоинженеринг и генетическая модификация может вывести выращивание каннабиса с фармацевтическим потенциалом на промышленный уровень.
Каннабис – единственное известное растение, производящее тетрагидроканнабинол (THC). К сожалению, производство этого вещества в промышленных масштабах пока слишком затратно. Тетрагидроканнабинол – это психоактивное вещество в небольших шишках, покрытых трихомами на созревшем растении. Трихомы — крошечные волоски, порой их трудно разглядеть на каннабис фото, если качество не очень высокое. Стебли и листья растений содержат на порядок меньше THC.
Генная инженерия может предоставить более эффективные альтернативы. Исследователи из биотехнологических компаний могут генетически модифицировать различные виды конопли, чтобы получить более высокий уровень THC, CBD и других каннабиноидов, представляющих фармацевтический интерес. Другие ученые стремятся изменить химический синтез в растении каннабис, чтобы каннабиноиды производились во всех частях растения.
В любом случае цель биоижениринга – узнать, как вырастить марихуану эффективнее и надежнее, чем при обычном выращивании растений в теплицах или на полях. Дополнительные преимущества микробного синтеза включают сделают возможным производство редких каннабиноидов, которые обычно присутствуют в растениях только в очень мизерных количествах – или даже в молекулах, не встречающихся в природе. Также растения также могут быть модифицированы для обеспечения устойчивости к вредителям и стрессам окружающей среды.
Коммерческий интерес к этим биоинженирингу растет. Например, в 2018 году канадская корпорация Canopy Growth – крупнейшая в мире легальная канна-компания – заплатила более 300 миллионов долларов США наличными и акциями за приобретение биотехнологического стартапа Ebbu, небольшой американской компании, которая разработала алгоритмы для манипулирования геномом каннабиса с помощью системы редактирования генов CRISPR – Cas9. А в апреле канадская компания-производитель Zenabis заключила контракт на покупку 36 тонн чистого бактериального CBD у немецкой компании по производству медицинского каннабиса Farmako. Это первая сделка такого рода по биосинтетическим каннабиноидам.
Дэвид Кидекель, аналитик из компании финансовых услуг AltaCorp Capital в Торонто, Канада, называет генную инженерию каннабиса «революцией», которая обещает перенести многовековую сельскохозяйственную практику в эру биотехнологий. Когда дело доходит до производства экстрактов каннабиса, растения могут быть заменены микробами, и более широкий спектр каннабиноидов может стать доступным для использования в медицинских и рекреационных продуктах. Впрочем, наверняка еще много лет выращивание марихуаны будет оставаться в тренде.
Но если ученым удастся добиться свое цели, листочки каннабиса больше не будут символами активных ингредиентов. Вместо этого может быть более подходящим станет изображение биореактора из нержавеющей стали.
Как получить медицинские каннабиноиды
Вопрос отказа от теплиц в пользу биореакторов сводится к их стоимости. Выращивание конопли на данный момент гораздо выгоднее экономически, чем синтез. В настоящее время цена 1 килограмма высококачественного CBD, полученного из растений – более 5000 долларов. Но выращивание каннабиса для получения даже одного килограмма CBD нужно проводить в колоссальном объеме. В 2018 году, американская компания Ginkgo Bioworks заключила соглашение-намерение с канадским производителем каннабиса из Торонто Cronos Group по производству чистого CBD и других каннабиноидов по цене менее 1000 долларов за кг.
Биопроизводство также предлагает новый уровень качества, который невозможно получить в растениях, которые, как и большинство сельскохозяйственных товаров, подвержены воздействию погодных условий, вредителей и других факторов окружающей среды. Лабораторное производство также лучше для окружающей среды, потому что для работы биореактора требуется меньше энергии, чем для питания ламп для выращивания и вентиляторов при выращивании каннабиса в помещении. Биореактор не загрязняет воду и землю.
Однако, возможно, самым большим преимуществом приготовления каннабиноидов в биореакторах является способность получить большое количество менее известных каннабиноидов, которые обычно содержатся только в мизерных количествах в растениях каннабиса.
«Мы настолько сосредоточены на THC и CBD, что мы забываем о том, что в растении есть другие действительно полезные соединения. Это направление, в котором мы действительно должны использовать биосинтез», – говорит Тони Фарина, главный научный сотрудник компании синтетической биологии Librede из штата Калифорния.
Например, уже выделили несколько молекул, представляющих особый интерес. К ним относятся каннабихромен, редкий каннабиноид, который, как считается, обладает противовоспалительными свойствами, и каннабигерол – химический THC и CBD, способный защитить от повреждения внутри клеток. Одно из первых мест в списке занимает подавляющий аппетит тетрагидроканнабиварин. Этот каннабиноид имеет медицинский потенциал у людей, страдающих компульсивным расстройством переедания. Также он может понравиться потребителям каннабиса в рекреационных целях, которые наслаждаются опьяняющими эффектами препарата, но предпочитают избегать обжорства.
Уже более 18 компаний стремятся производить каннабиноиды из дрожжей, бактерий или водорослей и у каждого участника отрасли есть собственный подход. Все они базируют свои технологии на сценарии, описанного синтетическим биологом Джеем Кизлингом из Калифорнийского университета в Беркли в журнале Nature, 567, 123-126 (2019).
Кизлинг и его коллеги внесли ряд генетических изменений в дрожжи Saccharomyces cerevisiae . Изменяя дрожжевые гены и вставляя другие из бактерий и растения каннабис, команда создала организм, способный выполнять все химические реакции для производства каннабиноидов. При кормлении дрожжей простым сахаром образуется небольшое количество неактивных THC или CBD, которые можно преобразовать в их активные формы путем нагревания.
Поскольку експерименты только в начальной стадии, команда решила попробовать жирные кислоты и получила варианты THC или CBD, которые не встречаются в природе. «Мы создали совершенно новые молекулы, которые могли бы стать лучшими терапевтическими средствами», – говорит Кизлинг.
Разработания системы еще не готова к работе на коммерческом уровне. Для того, чтобы биосинтетический подход был конкурентоспособным по стоимости с каннабиноидами, извлеченными из растений, необходимы существенные улучшения эффективности и протокола ферментации. Американская компания Demetrix, соучредителем которой является Кизлинг, получила более 60 миллионов долларов финансирования. На сегодняшний день, Demetrix – самая финансируемая компания, занимающейся лабораторным производством каннабиноидов. Исполнительный директор Demetrix Джефф Уберсакс говорит, что его команда уже увеличила выход каннабиноидов «на несколько порядков».
Предстоит долгий путь, потому что заставить что-то из научной лаборатории работать на производственном предприятии довольно сложно.
Катализатор успеха
Превращение дрожжей в миниатюрные фабрики по производству каннабиноидов представляет собой большой интерес. Хотя протокол Кизлинга включает 16 генетических модификаций, общая эффективность процедуры очень низкая.
В протоколе необходимы ферменты для производства. Например, фермент, известный как пренилтрансфераза не показал хороших рещультатов. После анализа данных по экспрессии генов Кизлинг обнаружил фермент пренилтрансферазу и ввел его в дрожжи. Процесс заработал и все компоненты встали на свои места.
Некоторые исследователи столкнулись с той же ферментативной проблемой у S. cerevisiae и решили переключиться на альтернативные организмы. Биоинженер Оливер Кайзер и его коллеги из Технического университета Дортмунда в Германии обратились к разновидности дрожжей , называемый Komagataella phaffii.
Другие полностью отказались от дрожжей. Викрамадитья Ядав, инженер-химик из университета Британской Колумбии в Ванкувере, занялся бактериями E. coli. Он сотрудничает с компанией InMed Pharmaceuticals.
По словам Ядава, преимущество бактерий перед другими клеточными системами заключается в том, что они не присоединяют сахар к производимым ими белкам так же, как дрожжи и другие организмы с закрытым ядром. Он считает, что сахар может ограничивать активность ферментов, которые имеют решающее значение для производства каннабиноидов – по крайней мере, у K. phaffii , как показала команда Кайзера, – которые приводит к снижению урожайности.
Бактерии также естественным образом выделяют каннабиноиды в окружающую среду, из которой они могут быть легко извлечены. Это обеспечивает преимущества в скорости и стоимости, поскольку позволяет наладить непрерывное производство. Дрожжи обычно не выделяют белки, но исследователи утверждают, что эту функцию они уже встроили в протокол.
Но есть проблема при использовании дрожжей или E. coli – токсичность каннабиноидов. Такие молекулы эволюционировали в растениях как защитный механизм от насекомых, микроорганизмов и других биологических угроз.
Компания Farmako объявила в июле, что ее исследовательская группа по биосинтезу работает с бактерии Zymomonas mobilis , которую используют в производстве текилы. По словам молекулярного биолога и соучредителя Farmako Патрика Шмитта, который возглавит дочернюю компанию, этот микроорганизм невосприимчив к токсичности.
Тем временем исследователи из Renew Biopharma, Калифорния, работают над Chlamydomonas reinhardtii , зеленой водорослью, которая распределяет свой синтез каннабиноидов в хлоропластах. При этом остальная часть клетки защищена от токсичных молекул.
Помимо биологических преимуществ, производство каннабиноидов в нетрадиционных организмах, таких как водоросли, имеет хороший бизнес-смысл, потому что этот подход является частным, говорит Майкл Мендес, основатель и исполнительный директор Renew Biopharma. «Интеллектуальная собственность будет править в этой сфере», – говорит он. И как отмечает Джереми де Бир, профессор права в Оттавском университете, изучавший патенты на каннабис, «мы находимся в своего рода золотой лихорадке интеллектуальной собственности».
Бюро по патентам и товарным знакам США уже выдало патент на использование дрожжей для синтеза каннабиноидов из сахаров. За этим последовали и другие патенты, в том числе был выдан патент компании Teewinot Life Sciences, на биореактор, предназначенный для выращивания микроорганизмов, продуцирующих каннабиноиды. Патентные споры и юридические баталии могут быть очень горячими.
«Неудивительно, что по мере роста доходов от продаж каннабиса вы увидите активизацию в области защиты прав, связанных с патентами», – говорит Стивен Хэш, адвокат компании Baker Botts (Остин, штат Техас).
Патентный прогноз
Согласно федеральному закону в Соединенных Штатах, выращивание каннабиса строго запрещено. Но это не остановило рост индустрии каннабиса в стране. Индустрия развивается квази-легальным образом с тех пор, как отдельные штаты разрешили производство и продажу каннабиса для использования в медицинских и рекреационных целях более 20 лет назад. Управление по патентам и товарным знакам США выдает легальные лицензии на интеллектуальную собственность для разведения и производства каннабиса. Огромное количество американцев на сегодняшний день знает, как выращивать коноплю.
В 2015 году был выдан патент компании Biotech Institute (Вестлейк-Виллидж, штат Калифорния) на ряд сортов каннабиса с высокими уровнями тетрагидроканнабинола и каннабидиола.
Такие патенты обеспокоят многих селекционеров каннабиса, которые опасаются, что ограничения задушат инновации и биологическое разнообразие. Они обеспокоены тем, что домашний гровинг может быть вытеснен эрой корпоративной марихуаны.
Один за другим последовали и другие патенты, и судебные споры. Например, в 2018 году две фирмы из Колорадо были вовлечены в судебный процесс по поводу того, нарушает ли жидкий состав конопляного каннабидиола одной компании патентные притязания другой. Это – первый серьезный патентный спор в отрасли. Дело продолжается и сейчас.
Вопрос спора заключается в том, является ли патент новым, или является очевидным развитием. Из-за скрытого выращивания каннабиса селекционеры не патентировали свои сорта в законной сфере. Отсутствие доказательств затрудняет подачу заявки на патент.
Исполнительный директор некоммерческой организации Open Cannabis Project (OCP) Бет Шехтер и ее команда создали публичный реестр химических и генетических профилей сотен существующих сортов каннабиса. Цель состояла в том, чтобы предоставить доказательства очевидности патентов и, следовательно, сделать их недействительными.
Такой проект может иметь непредвиденные последствия. Несмотря на то, что он рекламировался как способ защиты прав мелких фермеров, он был свернут в мае после того, как появилось видео, на котором один из соучредителей каталога преподносит инвесторам идею собственной селекционной программы. Для многих это подтвердило их опасения: каталог стал прикрытием для получения финансовой выгоды.
Традиционный способ
Вместо того, чтобы пытаться производить каннабиноиды в микроорганизмах, традиционные агро компании используют инструменты биотехнологии, чтобы повысить урожайность.
Канадская компания Trait Biosciences создала генно-инженерный каннабис. Такие растения могут производить каннабиноиды по всему растению, а не только в трихомах для высокой урожайности. Компания также добавила ферменты, которые сделали каннабиноиды менее токсичными и сделали обычно масляные молекулы растворимыми в воде.
«Мы получили преимущество и повышение урожайности. Теперь, масляные молекулы растворимы в воде, мы можем прессовать растение, как это делают с сахарным тростником, чтобы выжать сок и получить каннабиноиды. Экстракт – безвкусный и без запаха, поэтому его можно смешивать в самых разных целях», – говорит Ричард Сэйр, главный научный сотрудник Trait.
Растворимость в воде также открывает возможность создания новых видов напитков или пищевых продуктов с добавлением каннабиса.
Научные перспективы
Директор генетических исследований Роберт Роскоу подал патенты на методы управления синтезом каннабиноидов в растениях. Он использует редактирование гена CRISPR – Cas9 для удаления определенных ферментов в пути синтеза каннабиноидов, которые участвуют в производстве THC. Это позволило ему создать растения каннабиса, которые производят только КБР.
Также ученые путем селективной селекции создали растения, богатые второстепенными каннабиноидами, такими как CBG или THCV.
«Модификация с помощью генной инженерии, вероятно, самый простой способ получить желаемый фенотип», – говорит Игорь Ковальчук, биотехнолог по растениям из университета Летбридж, Канада, и соучредитель компании InPlanta Biotechnology.
Генная инженерия также является мощным инструментом для исследования функции генов каннабиса.
Препятствием остается настороженное отношение потребителей к генетически модифицированным продуктам, которое может перерасти в недоверие к биосинтезу.
«Людям все равно, получены ли каннабиноиды из генетически модифицированных дрожжей или выращенных в поле», – говорит Джордан Загер, соучредитель и исполнительный директор Dewey Scientific, биотехнологической компании из штата Вашингтон.
Технологическое происхождение каннабиноидов не имеет большого значения для фармацевтического сектора. Но, многие ученые заявляют, что каннабиноиды, полученные биохимическим путем никогда не будут равны ботанической натуральной марихуане. Растение – это чудо природы, и людям сложно будет его повторить.
Так или иначе, кусты конопли как основной источник каннабиноидов будут актуальны еще много десятков лет, поэтому если вы любите коноплю, то знания по этой тематике вам обязательно пригодятся. Узнать все о растениях каннабиса и их выращивании вы сможете в Canna University!