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Ciência

Supercélula polarizada produz metabólitos especializados em tricomas de cannabis

Pesquisadores identificam mecanismos de alta eficiência usados ​​por células de cannabis para produzir canabinóides

Pela primeira vez, os biólogos definiram os “truques” de alto rendimento que as células de cannabis usam para produzir canabinóides (THC/CBD). Embora muitas empresas de biotecnologia estejam tentando produzir THC/CBD fora da planta, em leveduras ou culturas de células, ainda não está claro como a planta faz isso naturalmente.

Durante séculos, os humanos cultivaram cannabis pelas propriedades farmacológicas que resultam do consumo de seus metabólitos especializados, principalmente canabinóides e terpenóides. Hoje, a cannabis é uma indústria multibilionária cuja existência depende da atividade biológica de pequenos aglomerados de células, chamados tricomas glandulares, encontrados principalmente em flores.

Os tricomas glandulares da cannabis alteram a morfologia e o conteúdo de metabólitos durante a maturação das flores

Os canabinóides são tóxicos para as células da cannabis, e não se sabe como as células da cannabis tricomas podem produzir e secretar grandes quantidades metabólitos lipofílicos. Para abordar essa lacuna de conhecimento, estudamos os tricomas glandulares da cannabis usando criofixação ultrarrápida, microscopia eletrônica quantitativa e marcação com ouro de enzimas da via canabinóide.

Estudo demonstra que as células de Cannabis metabolicamente ativas formam uma 'supercélula', com extensas pontes citoplasmáticas através das paredes celulares e um distribuição polar de organelas adjacentes à superfície apical onde os metabólitos são secretados. O papel metabólico previsto de plastídios não fotossintéticos é suportado por redes de membrana incomuns em plastídios e a localização do início da via canabinóide/terpeno no estroma plastidial. Abundantes sítios de contato com a membrana conectam os núcleos paracristalinos dos plastídios ao envelope plastidial, os plastídios ao retículo endoplasmático (ER) e o ER à membrana plasmática.

A etapa final na biossíntese de canabinóides, catalisada pela sintase do ácido tetrahidrocanabinólico (THCAS), foi localizada na parede da superfície celular, oposta à cavidade de armazenamento extracelular. Propomos um novo modelo de como as células de cannabis podem sustentar a produção abundante de metabólitos, enfatizando o papel fundamental dos locais de contato da membrana e da biossíntese extracelular de THCA. Este novo modelo pode informar abordagens de biologia sintética para a produção de canabinóides em leveduras ou culturas de células.

“Isso realmente nos ajuda a entender como as células de tricomas de cannabis podem produzir grandes quantidades de tetrahidrocanabinol (THC) e terpenos – compostos que são tóxicos para células vegetais em grandes quantidades – sem se envenenarem”, disse o Dr. Sam Livingston, botânico da Universidade de British Columbia, que liderou a pesquisa.

Durante décadas, os humanos cultivaram cannabis pelas propriedades farmacológicas que resultam do consumo de seus metabólitos especializados, principalmente CBD e terpenóides. Hoje, a produção do mercado global de cannabis de US$ 20 bilhões depende fortemente da atividade biológica de pequenos aglomerados de células, chamados tricomas glandulares, encontrados principalmente nas flores da planta.

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O estudo, publicado em Current Biology, revela os microambientes em que o THC é produzido e transportado em tricomas de cannabis e esclarece vários pontos críticos no caminho da fabricação de THC ou CBD dentro da célula.

Dr. Livingston e co-autor Dr. Lacey Samuels usaram o congelamento rápido de tricomas glandulares de cannabis para imobilizar estruturas celulares de plantas e metabólitos in situ. Eles foram capazes de estudar os tricomas glandulares da cannabis usando microscópios eletrônicos que revelaram a estrutura celular em nanoescala, mostrando que as células metabolicamente ativas da cannabis formam uma "supercélula" que atua como uma pequena biofábrica metabólica.

Até agora, as abordagens da biologia sintética se concentravam em otimizar as enzimas responsáveis ​​pela fabricação de THC/CBD – como construir uma fábrica com o maquinário mais eficiente para fabricar o maior número possível de produtos. . No entanto, essas abordagens não desenvolveram uma maneira eficiente de mover substâncias intermediárias de uma enzima para outra, ou de dentro da célula para fora da célula, onde os produtos finais podem ser coletados. Esta pesquisa ajuda a definir as "rotas de envio" subcelulares que a cannabis usa para criar um pipeline eficiente de matérias-primas para produtos finais sem acumular toxinas ou resíduos.

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“Por mais de 40 anos, tudo o que pensávamos sobre células de cannabis era impreciso porque era baseado em microscopia eletrônica datada”, diz o Dr. Samuels, biólogo de células vegetais da UBC. “Este trabalho define como as células de cannabis fazem seu produto. Esta é uma mudança de paradigma depois de muitos anos, produzindo uma nova visão da produção de canabinóides. Este trabalho tem sido difícil, em parte por causa da proibição legal e também porque nenhum protocolo de transformação genética da cannabis foi publicado. »

Hoje sabemos que:

  • As células glandulares formam um sincício polarizado durante a produção e secreção de THCA.
  • O GPPS está localizado em plastídios que contêm fusões de membranas conspícuas.
  • O THCAS está localizado exclusivamente na superfície extracelular dos tricomas.
  • Contatos de membrana entre plastídios, ER e PM estão na origem de um novo padrão de tráfego.

Este novo modelo pode informar abordagens de biologia sintética para a produção de canabinóides em levedura, que é comumente usada em biotecnologia. Sem esses “hacks”, eles nunca alcançarão uma produção eficiente.


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O autor weedmaster

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