Indijska konoplja oz. Cannabis sativa je pomembna rastlinska vrsta, katere poreklo je Srednja Azija. Že od nekdaj se uporablja v medicini in kot vir tekstilnih vlaken. Ta hitro rastoča rastlina, je zanimiva predvsem zaradi svoje večnamenske uporabe. Pravzaprav gre za pravo zakladnica “fitokemikalij” ter bogat vir celuloznih in lesnih vlaken. Vsaj enako zanimiva in pomembna pa je ta rastlina tudi za farmacevtski in gradbeni sektor. Njeni metaboliti namreč kažejo močne bioaktivne lastnosti na zdravje ljudi. Njena zunanja in notranja matična tkiva, pa se lahko uporabijo tudi za izdelavo bioplastov in betonskega materiala. V tem pregledu bomo razpravljali tudi o bogatem spektru koreninskih fitokemikalij.
.
.
Poseben poudarek bomo namenili molekulam, vključno s kanabinoidi, terpeni in fenolnimi spojinami ter njihovimi biosintetičnimi lastnostmi. Kanabinoidi predstavljajo najbolj raziskano skupino spojin. To pa predvsem zaradi njihove široke palete farmacevtskih učinkov pri ljudeh, vključno s psihotropnimi dejavnostmi. Glede na najnovejše podatke iz literature, se prav tako poudarjajo terapevtski in poslovni interesi nekaterih terpenov in fenolnih spojin, zlasti stilbenoidov in lignanov. Biotehnološke poti za povečanje proizvodnje in bioaktivnost sekundarnih metabolitov konoplje, se predlagajo z razpravo o moči rastlinskega genskega inženirstva in tkivne kulture.
Uvod
Sedanji podnebni in gospodarski scenarij, spodbujata uporabo trajnostnih virov za zmanjšanje naše odvisnosti od “petrokemikalij” in zmanjšanje vpliva na okolje. Rastline so dragoceni naravni vir, tako fitokemikalij, kakor tudi celulozne biomase. V tem zapisu bo rastlina, na katero se bomo osredotočili, indijska konoplja (Cannabis sativa). Ker je vir vlaken, olj in
molekul in je, kot taka, simboličen primer večnamenskega pridelka. Obravnavamo vidike, povezane z uporabo biomase iz konoplje in, širše, tudi tiste, ki so povezane s številnimi različnimi fitokemikalijami.
Že od antičnih časov sta znani medicinska in tekstilna raba konoplje. Indijska konoplja je trenutno priča oživitvi, predvsem zaradi bogatega repertoarja fitokemikalij, vlaken in svojih kmetijskih značilnosti. In sicer:
- precej dobra je njena odpornost na sušo in škodljivce,
- ima dobro razvit koreninski sistem, ki preprečuje erozijo tal,
- nizke zahteve po vodi, glede na druge rastline, kot je npr. bombaž.
Indijska konoplja in njena vsestranska uporaba
To kaže na veliko vsestranskost te rastline in spodbuja prihodnje študije, osredotočene na konopljo. Različice konoplje, ki se uporabljajo za proizvodnjo olj, biomase ali celo obojega, se trenutno gojijo in razpoložljivost sekvence genomov konoplje, močno pomaga molekularnim študijam o tej pomembni rastlini. Poleg tega je indijska konoplja zelo zanimiva tudi za izkoriščanje njene farmakološke moči.
Končni obseg tega zapisa, je razprava o potencialu konoplje za industrijsko rabo in poudarjanje njenega pomena za biogospodarstvo. Natančneje:
- opisujemo uporabo biomase konoplje (npr. vlaken),
- razpravljamo o molekulah konoplje (kanabinoidih, terpenih in fenolnih spojinah),
- opisujemo potencial koničastih trihomov za farmacevtsko industrijo in
- razpravljamo o potencialu genskega inženirstva, z opisovanjem uporabe suspenzije rastlinskih celic in rastlinskih kultur.
Industrijska in indijska konoplja ter razlika med njima
Obe, tako industrijska konoplja, kakor tudi indijska konoplja izhajata iz iste osnove, rastline, katere ime je Cannabis Sativa. Preprosto pa ju večina imenujemo kar marihuana ali kanabis. Ko govorimo o konoplji, je verjetno govora o industrijski sorti. Le ta je uporabna za proizvodnjo gradbenega materiala, tekstila, goriv, izolacije in seveda, tudi hrane. Ko pa je govora o marihuani, pa je govora verjetno o rekreacijski in medicinski rabi.
Obe, tako industrijska konoplja, kakor tudi indijska konoplja izhajata iz iste osnove, rastline, katere ime je Cannabis Sativa. Preprosto pa ju večina imenujemo kar marihuana ali kanabis. Ko govorimo o konoplji, je verjetno govora o industrijski sorti. Le ta je uporabna za proizvodnjo gradbenega materiala, tekstila, goriv, izolacije
Osnovna razlika med indijsko konopljo in njeno sorodnico indijsko konopljo (medicinsko konopljo), je v tem, da indijska konoplja vsebuje bistveno večjo količino snovi, ki jo imenujemo THC oz. tetrahidrokanabinol. Industrijska konoplja praviloma vsebuje le od 0,2, pa tja do največ 2% THC-ja. Medtem pa lahko medicinska oz. indijska konoplja, vsebuje tudi 10 ali več odstotkov THC. In prav THC je tista snov v konoplji, ki povzroča “zadetost”. Ima pa THC še eno lastnost in ta je, da lahko pomaga ozdraviti številne bolezni.
THC je snov, ki ga proizvajajo žleze v listih in cvetovih konoplje. Za proizvodnjo industrijske konoplje se uporablja način vzgoje, pri katerem je vsebnost THC-ja zelo nizka. Industrijska konoplja pa, kljub nizki vsebnosti THC-ja, vsebuje tudi snov, ki jo imenujemo kanabidiol oz. CBD. Lastnost CBD-ja je, med vsemi drugimi koristnimi lastnostmi, da zmanjšuje učinke, ki jih povzroča THC.
Indijska konoplja: vir vlaken z antibakterijskimi lastnostmi
Indijska konoplja oz. njena rastlinska lignocelulozna biomasa je bogat obnovljiv vir, ki lahko zagotovi biopolimere, vlakna, kemikalije in energijo. Steblo indijske konoplje je vir dobave celuloznih in lesnih vlaken. Jedro je resnično lignificirano, medtem, ko korteks privede do dolgih celuloznih vlaken.
Ta heterogena sestava celične sten, poskrbi za zanimiv model za proučevanje biosinteze sekundarnih celičnih sten, zlasti molekularnih dogodkov, ki so podlaga za odlaganje kortikalnih želatinskih vlaken lupine in jedrnih lesnih vlaken.
Lesna vlakna konoplje se lahko tako, zaradi visoke absorpcijske sposobnosti, uporabljajo za živalsko steljo, uporabna pa so tudi za izdelavo betonskega materiala.
V biokompozitnem sektorju se vlakna konoplje uporabljajo, kot nadomestek steklenih vlaken. Avtomobilska industrija želi uporabljati vlakna konoplje za proizvodnjo bioplastov. Ta material je namreč močnejši od polipropilenske plastike.
Indijska konoplja in njene antibakterijske lastnosti
Poleg uporabe v gradbeništvu in avtomobilski industriji, so konopljena vlakna (katerih glavni vir je indijska konoplja) privlačna tudi zaradi svojih naravnih antibakterijskih lastnosti. Konopljina vlakna so bila dejansko opisana kot antibakterijska. Zato so uporabna za izdelavo kirurških pripomočkov in tekstila. Ta lastnost je povezana s kemično sestavo vlaken konoplje. Odkrili so proste in esterificirane sterole in triterpene, med katerimi so β-sitosterol in β-amin. Te spojine imajo znane antibakterijske lastnosti. Ugotovljeno je bilo, da konopljina vlakna vsebujejo tudi kanabinoide. Konoplja v prahu je pokazala antibakterijske lastnosti proti Escherichia coli. Ker ima visoko vsebnost lignina, je njegova antibakterijska lastnost lahko povezana s spojinami, ki so povezane z ligninom, kot so fenolne spojine, alkaloidi in kanabinoidi.
Indijska konoplja: njene proizvodne poti in nešteto bioloških dejavnosti
Številne kemikalije, ki jih proizvaja indijska konoplja, se proizvajajo skozi njen sekundarni metabolizem. Vključno s kanabinoidi, terpeni in fenolnimi spojinami, ki bodo podrobneje opisani v naslednjih poglavjih. Čeprav so farmakološke lastnosti kanabinoidov že obširno raziskane in so najbolj prepoznavne bioaktivne snovi konoplje. Druge komponente nimajo razloga, da bi jih zavidale, saj so bile povezane tudi z močnimi lastnostmi, ki spodbujajo zdravje. Raziskave fitokemikalij iz konoplje, ter razširjena terapevtska uporaba izdelkov iz konoplje, so bile omejene zaradi različnih razlogov. Vključno z nezakonitostjo pridelave, zaradi njene psihoaktivnosti in potenciala za povzročanje odvisnosti, variabilnosti aktivnih komponent in nizke vsebnosti nekaterih od njih v rastlinah. Nadaljnja pozornost je zdaj usmerjena na aktivne komponente, ki niso THC, ki lahko delujejo sinergistično in prispevajo k farmakološki moči ter vplivajo na zdravilni efekt kanabisa.
Fitokanabinoidi
Fitokanabinoidi predstavljajo skupino C21 ali C22 terpenopenolnih spojin, ki se večinoma proizvajajo v kanabisu. Poročali so tudi o rastlinah iz rodu Radula in Helichrysum, vendar je naše znanje o izvoru kanabinoidov, ki niso proizvod kanabisa, še v povojih. V literaturi so poročali o več kot 90 različnih kanabinoidih, čeprav so nekateri produkti razgradnje in se na splošno razvrstijo v 10 podrazredov.
V tem pregledu se bomo osredotočili na najbolj bogate spojine, ki jih vsebuje indijska konoplja. Prevladujoče spojine so THCA, CBDA in kanabolinska kislina (CBNA), čemur sledijo še kanababolična kislina (CBGA), kanabakromenska kislina (CBCA) in kanabinoodolinska kislina. THCA je glavni kanabinoid v kanabisu, medtem, ko CBDA prevladuje v vlaknatih obročkih.
Poročali so, da CBCA prevladuje v kanabinoidni frakciji mladih rastlin in se z zorenjem zniža. Fitokanabinoidne kisline se neencimično dekarboksilirajo v njihove ustrezne nevtralne oblike, ki se pojavljajo v rastlini in v veliko večjem obsegu po segrevanju po žetvi. Fitokanabinoidi se kopičijo v sekretorni votlini žleznih trichomov. Ti se večinoma pojavljajo pri “ženskih” rastlinah in v večini antenskih delov rastlin, kar bo nadalje opisano v naslednjem poglavju. V majhnih količinah so prisotni tudi v drugih delih rastlin, vključno s semeni konoplje, koreninami in cvetnim prahom. Na splošno je koncentracija teh spojin odvisna od vrste tkiva, starosti, sorte, pogojev rasti (prehrana, vlažnost, svetloba), trajanja žetve in pogojev shranjevanja.
Raven fitokanabinoidov v semenih konoplje
Raven fitokanabinoidov v semenih konoplje in s tem tudi v olju iz konoplje, mora biti zelo nizka, saj jedro vsebuje le v sledeh vsebuje THC ali CBD. Vendar pa so na zunanji površini semenskega premaza, večje koncentracije THC, kar je verjetno posledica kontaminacije rastlinskih listov ali cvetov. V zadnjem času je bilo na hrvaškem, v petih od 11 vzorcev konoplje, ki so na voljo na trgu, ugotovljene znatne količine kanabinoidov, zlasti THC. To kaže, da je onesnaženje verjetno posledica nepravilnega postopka predelave in nezakonite uporabe konoplje za prehranske namene. Pokazalo se je, da se količina kanabinoidov v listih zmanjšujejo s starostjo in vzdolž osi stebla, pri čemer so najvišje ravni opazili v listih zgornjih vozlišč. Analiza, izvedena na prahu, dobljenem iz zgornjega dela stebla konoplje, je pokazala nizko vsebnost THC in CBD. Vsota frakcij THC in CBD (brez poročanja o ločenih količinah vsake od njih) v ekstraktih stebla lesa in lubja, je bila 2 in 1%, kar predstavlja 0,003 in 0,0005% celotne vsebnosti vlaken.
Biosintetična pot, ki vodi do fitokanabinoidov
Biosinteza kanabinoidov iz indijske konoplje je bila nedavno pojasnjena. Predhodniki kanabinoidov pravzaprav izvirajo iz dveh različnih biosintetičnih poti:
- poliketidne poti, ki povzroča nastanek olivetolne kisline (OLA) in
- plastidne poti 2-C-metil-d-eritritola 4-fosfata (MEP), kar vodi k sintezi geranila difosfat (GPP)
OLA je sestavljen iz heksanoil-CoA, ki izhaja iz heksanoata maščobne kisline, s kratkimi verigami, z aldolovo kondenzacijo s tremi molekulami malonil-CoA. To reakcijo katalizira nedavno odkriti encim s polketidid sintazo (PKS) in ciklaza olivetolne kisline (OAC). Geranilpirofosfat: olivetolat geraniltransferaza katalizira alkilacijo OLA z GPP, kar vodi k nastanku CBGA, osrednjega prekurzorja različnih kanabinoidov. Trije oksidociklazi bodo potem odgovorni za raznolikost kanabinoidov: THCA sintaza (THCAS) pretvori CBGA v THCA, medtem, ko CBDA sintaza (CBDAS), tvori CBDA in CBCA sintazo (CBCAS) in proizvaja CBCA. Nekatera poročila govorijo tudi o tem, da indijska konoplja vsebuje propil kanabinoide (kanabinoidih s stransko verigo C3, namesto stranske verige C5), kot je tetrahidrokanbivinična kislina (THCVA, sintetizirana iz predhodnika divarilolinske kisline.
Zdravstvene koristi, povezane s kanabinoidi
Večina bioloških lastnosti, povezanih s kanabinoidi, se nanaša na njihovo interakcijo z endokanabinoidnim sistemom pri ljudeh. Endokanabinoidni sistem vključuje dva G kanabinoidna receptorja, vezana na protein CB1 in CB2, kot tudi dva endogena liganda, anandamid in 2-arahidonilglicerol. Menijo, da endokanabinoidi modulirajo ali igrajo regulativno vlogo pri različnih fizioloških procesih, vključno s apetitom, bolečino, razpoloženjem, spominom, vnetjem, insulinom, občutljivostjo in presnovo maščob in energije. Psihoaktivna dekarboksilirana oblika THCA in THC, je delni agonist receptorjev CB1 in CB2, vendar ima večjo afiniteto za CB1 receptor, ki se zdi, da posreduje njegove psihoaktivne lastnosti. Poleg tega, da so prisotni v osrednjem živčnem sistemu in v možganih. Receptorje CB1 najdemo tudi v imunskih celicah in tkivih gastrointestinalnega, reproduktivnega, adrenalnega, srčnega, pljučnega in mehurja, kjer lahko kanabinoidi opravljajo tudi svoje dejavnosti. Za CB2 receptorje velja, da imajo imunomodulatorne učinke in regulirajo aktivnost citokinov.
Toda THC ima dejansko več molekularnih ciljev, kot CB1 in CB2 receptorji in kaže močan protivnetni učinek, deluje kot analgetik, mišični relaksant, nevro-antioksidat, pomaga v boju proti raku in kaže proti-spazmodične aktivnosti. Vendar pa je THC povezan tudi s številnimi neželenimi učinki, vključno z anksioznostjo, holinergičnimi primanjkljaji in imunosupresijo. CBD (dekarboksilacija CBDA) predstavlja velik obseg farmakoloških lastnosti, a je, v primerjavi s THC, manjši. CBD lahko zmanjša stranske učinke THC in s tem poveča varnost ekstraktov na osnovi konoplje. CBD je v študijah na živalih pokazal, da med drugim, vpliva tudi na anksioznost, slabost, deluje antiartritično, antipsihotično, protivnetno in ima imunomodulatorne lastnosti.
CBD kot terapevtsko sredstvo
CBD je zelo obetaven kanabinoid, saj je pokazal tudi potencial, kot terapevtsko sredstvo v predkliničnih modelih bolezni osrednjega živčevja, kot so epilepsija, nevrodegenerativne bolezni, shizofrenija, multipla skleroza, afektivne motnje in osrednja modulacija krmnega vedenja.. Zanimivo je, da CBD predstavlja tudi močne antigljivične in antibakterijske lastnosti ter zanimivo močno aktivnost proti meticilin odpornim Staphylococcus aureus (MRSA). Po THC in CBD je CBC tretji najpogostejši fitokanabinoid. CBC deluje predvsem protivnetno, kot sedativ, analgetik, ima pa tudi protibakterijske in protiglivične lastnosti.
CBC je tudi močan zaviralec privzema anandamida in endogenih ligand CB receptorjev. CBN je razgradljiv produkt THC in se večinoma nahaja v starejših rastlinah konoplje. CBN ima dvojno nižjo afiniteto za CB1 receptorje in trojno višjo afiniteto za receptorje CB2 v primerjavi s THC. Tako celice imunskega sistema vplivajo bolj na centralni živčni sistem. Trenutno terapevtsko zdravljenje, ki temelji na kanabinoidu, je omejeno na posebne primere, spastičnost, povezano z multiplo sklerozo pri odraslih bolnikih, za zdravljenjeslabosti in bruhanja, povezanih z zdravljenjem raka in za spodbujanje apetita pri HIV pozitivnih bolnikih. Poudarjajo se tudi koristni učinki CBG pri kolitisu, ki kažejo, da se lahko ta kanabinoid uporablja tudi pri kliničnem eksperimentiranju pri bolnikih, ki jih je prizadela vnetna črevesna bolezen.
Indijska konoplja in morebitni škodljivi zdravstveni učinki kanabinoidov
Kot smo že omenili, je uporaba rekreacijske in medicinske uporabe konoplje ter THC in drugih sintetičnih kanabinoidov, povezana tudi s številnimi možnimi neželenimi učinki. Dve nedavni sta še posebej poročali o nekaterih škodljivih učinkih na zdravje, povezanih z uporabo naravne konoplje in sintetičnih kanabinoidov. Ob uporabi, kot je na primer kajenje cigaret, se zdi, da je učinek kratkotrajne in dolgotrajne uporabe podoben, za obe vrsti porabe, neposredno povezan s koncentracijo THC. Vsebnost THC v rekreacijski konoplji se je v zadnjih 30 letih dejansko močno povečala (s 3% v letih okrog 1980, na današnjih skoraj 20%). Pri čemer je pa je relativno nizka raven drugih kanabinoidov, kot je CBD.
Učinki kratkotrajne uporabe lahko vzpodbudijo težave s spominom in kognitivne primanjkljaje, moteno koordinacijo in psihozo. Dolgotrajna uporaba THC se povezuje s povečanim tveganjem zasvojenosti, kognitivnimi okvarami, spremenjenim razvojem možganov, ko je bila začetna uporaba zgodaj v mladosti. Poveča se tudi tveganje kroničnih motenj psihoze, vključno s shizofrenijo. Zaščitna vloga, ki bi jo CBD lahko imel pri ublažitvi teh negativnih učinkov, je zdaj dobro uveljavljena in dokumentirana.
Terpeni
Terpeni so največja skupina fitokemikalij z več kot 100 molekulami, ki so bile identificirane v kanabisu. Terpeni so odgovorni za vonj in okus različnih sevov konoplje. Zato so verjetno tudi prispevali k izbiri narkotičnih sevov konoplje in udomačevanja. Terpeni so razvrščeni v različne družine. Razvrščeni so glede na število ponavljajočih se enot 5-ogljikovih gradbenih blokov (izoprenskih enot), kot so monoterpeni, seskviterpeni in triterpeni. Pridelek in distribucija terpenov v rastlini se spreminja glede na številne parametre. Spreminja se glede na postopek pridobivanja eteričnega olja in okoljskih pogojev. Mono in seskviterpeni so bili odkriti v cvetju, koreninah in listih konoplje.
Monoterpeni v glavnem prevladujejo hlapni profil terpena in vključujejo predvsem d-limonen, β-miročen, α- in β-pinen, terpinolen in linalool. Seskviterpeni in zlasti β-cariophyllen in α-humulen, se v veliki meri pojavita tudi v ekstraktih konoplje. Triterpeni, kot sta friedelin in epifriedelanol, so bili odkriti tudi v koreninah konoplje in v konopljinih vlaknih, kot β-amin in v olju, kot cikloartenol, β-amirin in dammaradienol.
Terpene se skupaj s kanabinoidi uspešno uporablja, kot kemotaksonomske markerje v kanabisu. Štejejo za glavne fiziološko aktivne sekundarne metabolite. Pri odraslih, v standardnih pogojih, je bila, med ravnijo terpenov in kanabinoidov, ugotovljena pomembna in pozitivna korelacija. To se lahko razloži z dejstvom, da se mono- in seskvitereni sintetizirajo v istih žlezastih trichoma, v katerih se proizvajajo kanabinoidi. Vendar pa ta povezava ni bila potrjena na večjem delu vzorcev, ki prihajajo iz različnih izvorov.
Biosintetične poti, ki vodijo do različnih razredov terpenov
Dve različni poti biosintetike prispevata, v svojih začetnih korakih, k sintezi rastlinskih terpenov. Medtem, ko je pot v citosolno mevalonsko kislino (MVA), vključena v biosintezo seskvi in tri-terpenov, pa plastepo-lokalizirana pot, prispeva k sintezi mono-, di- in tetraterenov. MVA in MEP se proizvajajo z različnimi in različnimi koraki. In sicer iz dveh molekul acetil-koencima A in iz piravata in d-gliceraldehida-3-fosfata. Nadalje se pretvorijo v izopentenil difosfat (IPP) in izomerizirajo v dimetilalil difosfat (DMAPP), končno točko poti MVA in MEP. V citosolu dve molekuli IPP (C5) in ena molekula DMAPP (C5) kondenzirana. FPP služi kot predhodnik za seskviterene (C15), ki jih tvorijo terpenske sintaze in jih lahko okrasijo drugi različni encimi.
Dve FPP molekuli kondenzirata s skvalen sintazo (SQS) na endoplazmatičnem retikulumu, da nastanejo skvalen (C30), predhodnik triterpenov in sterolov, ki nastajajo pri oksidoskvalenskih ciklazah (OSC) in jih modificirajo različni prilagodljivi encimi. V plastidu ena molekula IPP in ena molekula DMAPP kondenzirata, da se s pomočjo GPP sintaze (GPS) formira GPP (C10). GPP je neposredni predhodnik monoterpenov.
Zdravstvene koristi, povezane s terpeni
Terpeni so lipofilne spojine, ki zlahka prehajajo membrane in zlasti krvno-možgansko pregrado. Predstavljajo širok spekter farmakoloških lastnosti, ki so bile nedavno opisane v večih študijah. Biološke aktivnosti D-limonena, ki ga pogosto najdemo tudi v eteričnih oljih citrusov, so dobro opisane v literaturi. Predvsem kaže močne protirekavnine, anksiolitične in imunostimulacijske lastnosti pri ljudeh. Tudi β-mircen, ki ga pogosto najdemo tudi v hmelju, je močna protivnetna, analgetična in anksiolitična komponenta. Tudi α-Pinen je zaviralec acetilholinesterala in lahko s tem pripomore k spominskim sposobnostim, ki bi lahko preprečile spominske pomanjkljivosti, ki jih povzroča THC. Prav tako pa ima tudi Linalool, ki se pogosto nahaja v Lavandula angustifolia, podobne lastnosti, kot so tiste, ki so opisane za njegove monoterpenske kolege, t.j. analgetik, anti-anksioznost, protivnetno in antikonvulzivno delovanje.
Tudi β-kariofilen, dobro znana aktivna sestavina črnega popra, ima močne protivnetne in želodčne aktivnosti. Zanimivo je, da se selektivno veže na receptor CB2 in ga zato lahko tehnično štejemo za fitokanabinoid. Pentaciklični triterpeni, kot sta β-amirin in cikloartenol, imajo številne biološke aktivnosti, vključno z anti-bakterijskimi, proti gljivičnimi, protivnetnimi in antiaralnimi lastnostmi. Ti triterpeni so ključni dejavniki farmakoloških lastnosti številnih zdravilnih rastlin.
Fenolne spojine
Fenolne spojine, znane tudi kot fenilpropanoidi, predstavljajo eno najbolj razširjenih skupin sekundarnih metabolitov v rastlinskem kraljestvu. Predstavljajo več kot 10.000 različnih struktur, vključno s fenolnimi kislinami, kot so benzojeve in hidroksikinamične kisline, flavonoidi, kot so flavonoli in flavoni, stilbenovi in lignani. V kanabisu je bilo ugotovljenih približno 20 flavonoidov, ki večinoma sodijo v podrazrede flavona in flavonola. Te vključujejo različice agilokinov O-glikozidov apigenin, luteolin, kaempferol in kvercetin ter kanflavin A in kanflavin B. To so metilirani izoprenoidni flavoni, edinstveni za kanabis. Fenolni amidi in lignanamidi so bili najdeni in opisani tudi v
plodovih in koreninah konoplje. Lignanamidi sodijo v lignan razred spojin in vključujejo kanabisinu podobne spojine in brusamidu. Podobne spojine, kot je kanabisin D, vsebujejo tudi listi konoplje, ki je bila močno inducirana na zdravljenje z UV-C. Zanimive količine lignanov so bile nedavno odkrite tudi v hidrofilnem ekstraktu semen konoplje. Dokazano je, da sta prevladujoči profil lignanskega lupinastega semena syringaresinol in medioresinol, sledijo pa jima secoizolariciresinol, lariciresinol in pinoresinol. Seme konoplje vsebuje približno 20-krat manj celokupnih lignanov, kot lanena semena, ki so znani vir lignanov. Zanimivo je, da vsebnost lignana v oluščenih semenih konoplje, predstavlja le 1% vsebnosti celega semena. Devetnajst stilbenov je izoliranih v kanabisu z značilnimi strukturnimi “hrbtenicami”, kot so spirani, fenantreni in bibenzili.
Biosintetična pot, ki vodi do različnih razredov fenolnih spojin
Fenolne spojine se proizvajajo skozi fenilpropanoidno pot v citoplazmi in se nato prevažajo v vakuumu ali nanesejo v celično steno. Poti k glavnim razredom fenolnih spojin vključujejo:
- jedro fenilpropanoidne poti od fenilalanina do aktiviranega (hidroksi) derivata cimetne kisline (p-kumaroil CoA), z delovanjem fenilalanin-amonijev-liaze (PAL), cinnamata 4 hidroksilaza (C4H, citokrom P450) in 4-kumarat-CoA ligaze (4CL), kot tudi specifične poti za oblikovanje
- preprostih estrov, ligninov in lignanov,
- flavonoidov,
- kumarinov, in
- stilbenes.
Čeprav je bila flavonoidna pot obsežno raziskana v več rastlinah, ni specifičnih podatkov o biosintezi flavonoidov v kanabisu
Na splošno se lignani, kot je secoizolariciresinol, proizvajajo v rastlini s stereoselektivnim povezovanjem alkoholov z dvema različnima dirigentnima proteinama, kar povzroči (+) ali (-) pinoresinol. Vsak pinoresinol se lahko nadalje enantiospecifično reducira na lariciresinol in secoizolariciresinol. Ključni molekularni dogodki, povezani z biosintezo lignanamidov, še vedno niso znani. Struktura teh molekul pa nakazuje kondenzacijo predhodnikov tiramin in CoA estrov kumarične, kafeinske in konoperne kisline, čemur sledi reakcija oksidativne spajanja, ki jo katalizira dirigentni protein, kot opisano za lignane.
Flavonoidna pot se sproži s kondenzacijo p-kumaroil CoA s tremi molekulami malonil-CoA (slika 22). Naringenin halkon se izomerizira iz encima chalcone isomerase (CHI), da se tvorita naringenin, na eni strani veja flavonolov in flavonov na drugi. Flavanon 3-hidroksilaza (F3H) lahko nato hidroksilat naringenin proizvede dihidroflavonol, dihidrokaempferol, ki ga lahko dodatno hidroksiramo s flavonoidno 3′-hidroksilazo (F3’H), da se tvori dihidrokvrtetin. Dihydrokaempferol in dihidrokvrtetin sta substrata flavonol sintaze (FLS), ki katalizira proizvodnjo flavonolov kaempferol in kvercetin. Naringenin se lahko alternativno pretvori v apigenin s reakcijo, ki jo katalizira flavon sintaza (FNS). Apigenin lahko nadalje hidroksiliziramo s flavonoidno 3′-hidroksilazo (F3’H), da se tvori luteolin, ki je verjetno predhodnik različnih kanflavinov.
Zdravilne lastnosti, povezane z fenolnimi spojinami
Indijska konoplja je rastlina, v kateri lahko, v določenih fizioloških pogojih, fenolne spojine delujejo kot antioksidanti. S tem se rastlina zaščiti pred oksidativnim stresom. Pri ljudeh je bilo dokazano, da obstaja povezava med prehranskim fenolnim spojin in manjšo incidenco kroničnih bolezni, kot so rak, kardiovaskularne in nevrodegenerativne bolezni. Vendar pa teh pozitivnih učinkov na zdravje, morda ni mogoče v celoti pojasniti s fenolno antioksidativnimi lastnostmi, saj so slabo biološko uporabne. Fenolne spojine lahko povzročijo nadregulacijo endogenih antioksidativnih encimov. To pa zaradi njihove sposobnosti, da delujejo kot prooksidanti in ustvarjajo reaktivne kisikove vrste. Prav tako lahko izvajajo svoje delovanje z nespecifičnimi vezavnimi vezavnimi proteini. Flavoni in flavonoli, najdeni v kanabisu, imajo širok razpon bioloških učinkov, vključno s lastnostmi, ki si jih delijo terpeni in kanabinoidi. Predstavljajo protivnetna, delujejo proti raku in imajo nevro-zaščitne lastnosti.
Specifična kanflavin A in B sta močni protivnetni spojini, ki delujeta preko inhibicije prostaglandina E2 in 5-lipoksigenaze. Študije v zvezi z lignanamidi, so omejene in kažejo protivnetne in citotoksične aktivnosti. Lignani na splošno kažejo široko paleto zdravju koristnih lastnosti, vključno z antioksidantnimi, protivirusnimi, antidiabetičnimi, antitumorigenskimi in anti-debelostnimi aktivnostmi. Zanimivo je, da se v anaerobni črevesni mikroflori (pri sesalcih), predhodnik estrogena (fitoestrogenov), pretvorijo v enterolignane secoceolariciresinol, lariciresinol in pinoresinol. Zaradi strukturne podobnosti enterolignanov pri estrogenih pri sesalcih, so te spojine potencialno zanimive za boj proti nekaterim rakom, ki so odvisni od hormonov. Mehanizmi delovanja lignanov pa so zapleteni, z več vpletenimi cilji.
Sinergijski in antagonistični učinki med fitokemikalijami
Zdaj je dobro sprejeto, da so zdravstvene koristi sadja, zelenjave in drugih rastlinskih živil. Koristi so posledica sinergije ali interakcij med različnimi bioaktivnimi spojinami ali drugimi hranili, prisotnimi v celotni hrani. Podobno terapevtiki na osnovi konoplje, izvajajo svoje farmakološke učinke pri ljudeh s sinergijskimi ali antagonističnimi interakcijami med različnimi fitokemikalijami, opisanimi zgoraj. Ti medsebojni vplivi se lahko pojavijo z različnimi mehanizmi, vključno z:
- biološko uporabnostjo,
- motnjami pri celičnih transportnih postopkih,
- aktiviranjem proaktivnih zdravil ali deaktiviranjem aktivnih spojin v neaktivne presnovke,
- delovanjem sinergističnih partnerjev na različnih točkah istega signalizacijskega kaskadnega (multi-ciljnih učinkov) ali
- zaviranja vezave na ciljne beljakovine.
Dober primer je močnejši mišično-antispastični učinek izvlečka konoplje v primerjavi s čistim THC. To je pomembna ugotovitev za zdravljenjemultipleskleroze. Kanabinoidi brez vsebnosti THC so pokazali pozitiven vpliv na neželene učinke, ki jih povzroča THC, kot so dejavnosti proti anksioznosti. CBD lahko zmanjša tudi inducirane kognitivne in spominske pomanjkljivosti pri osebah, ki kadijo kanabis. CBD vpliva na farmakokinetiko THC z različnimi mehanizmi:
- s fluidiziranjem membran in s tem povečanjem penetracije THC v mišične celice in
- z zaviranjem metabolizma, ki ga posreduje P450, ki sodeluje pri degradaciji in izločanju molekule.
Terpeni lahko spremenijo tudi farmakokinetiko THC s povečanjem permeabilnosti pregrade krvi in možganov
Ta značilnost je bila posebej uporabljena za patentiranje transdermalnega obliža, ki prenaša kanabinoide v krvni obtok z uporabo terpena, kot permeacijskega sredstva. Terpeni lahko tudi modulirajo afiniteto THC za receptor CB1 in se interagirajo z receptorji nevrotransmitorja, ki lahko podpirajo prispevke terpenov na kanabinoidno posredovane analgetike in psihotične učinke. Glede na potencial sinteze fitokanabinoidnega terpena, je bilo predlagano, da se prilagodijo novim terapevtskim zdravljenjem. Ekstrakti CBD terpena, se tako lahko uporabljajo proti aknam, MRSA, depresiji, anksioznosti, nespečnosti, demenci in zasvojenosti.
Flavonoidi lahko tudi modulirajo farmakokinetiko THC, in sicer z zaviranjem jetrnih encimov P450 (3A11 in 3A4).
Nazadnje je tudi primer sinergije med terpeni in fitokanabinoidi, ki so ciljno usmerjeni:
- na eni strani specifična mešanica monoterpenov in seskviterpenov določa viskoznost in s tem lepljivost izločkov konoplje, ki so potrebna za zatiranje žuželk in
- na drugi strani pa fitokanabinoidna kislina deluje, kot močne insekticidne molekule.
Kanadski trichomi: majhne tovarne fitokemikalij
Trichomi so epidermalne “štrline”, ki pokrivajo liste, brakture in stebla rastlin. Nekatere med njimi, kot so žlezni trichomi, pa so zmožni skrivanja (ali shranjevanja) sekundarnih metabolitov, kot obrambnega mehanizma. Več dokumentov se je osredotočilo na karakterizacijo teh specializiranih struktur. Njihova integrirana študija koristi razvoju tehnologij, ki izkoriščajo bogat biokemični potencial. Ustvarjena je bila tudi podatkovna zbirka (Trichome, na voljo na: http://www.planttrichome.org/*), ki omogoča primerjalne analize rastlinskih trichomov. Raziskovalcem to omogoči, da med sabo izmenjujejo podatke v zvezi z metaboliti, geni, ekspresijski profili. Poleg tega je na voljo tudi več postopkov za izolacijo trichomov iz listov različnih rastlinskih vrst.
Indijska konoplja ima različne vrste trihomov, ki spadajo v dve kategoriji: žlezasta in ne-glandularna.
V kanabisu se THCA nabira v glavah (žlezah) in podrejenih trichomih. V prvi je vsebnost višja. Pri nekaterih sortah se kanabinoidi CBDA in CBCA pojavljajo pri visokih koncentracijah, namesto THCA.
Študije o konoplji so pokazale, da se THCA sintetizira v shranjevalni votlini in da encim, odgovoren za proizvodnjo THCA, sledi sortirni poti od sekretornih celic do skladiščne votline. Akumulacija v shranjevalni votlini je posledica citotoksičnosti kanabinoidov. Heterologna ekspresija THCAS, ki kondenzirana z GFP v tobaku, vodi do fluorescence glave trihoma. S čimer potrdi lokalizacijo encima v shranjevalni votlini.
Odvisno od njihove barve trihinomi konopljine trikotne žleze kažejo različne sekretorne faze: zrela skrivnostna žleza se zdi prosojna (na tej stopnji je vsebnost kanabinoidov najvišja), medtem ko so starajoče žleze rumene in senesne rjave.
Kanabinoidi se proizvajajo preko terpenov
Glede na sedanji model, se kanabinoidi proizvajajo preko terpenov, ki jih izločajo plastidi, prisotni v disketnih celicah in fenoli, shranjeni v njihovem vakuumu. Analize z uporabo elektronskega mikroskopa so pokazale, da se oljne izločke (najverjetnejši terpeni) okrogle oblike, izloča iz plastidov (ki imajo videz mrežastih teles). Nato se v vdolbino sprostijo, skupaj s fibrilarno matrico, ki izvira iz celičnih sten disknih celic. Fibrilarna matrika se navezuje na subkutikularno celično steno in prispeva k njenemu zadebeljenju, s še neidentificiranimi mehanizmi.
Poleg kanabinoidov trinoma, indijska konoplja proizvaja tudi druge sekundarne metabolite, in sicer terpene. Ti so odgovorni za tipično rastlinsko aromo. Med terapijami s kanabisom, je nerolidol, ki ima zanimivo anti-malarialne in anti-lajševalne učinke. Glede na farmakološko pomembnost teh spojin, bi bilo zanimivo oblikovati inženirske strategije. Cilj le teh je, bodisi povečanje sekundarnega metabolizma, bodisi povečanje gostote trichomov v kanabisu. Med možnimi pristopi genskega inženiringa, je potrebno omeniti dva primera, ki sta bila nedavno prijavljena. Razpravljali bomo le o teh dveh primerih, saj je nadaljnja razprava o tem, kako povečati proizvodnjo kanabinoidov, predstavljena kasneje.
Nedavno je bilo razvidno, da je preoblikovanje A. annua s rolB in rolC genov Agrobacterium rhizogenes, pripeljalo do rastlin s povečano vsebnostjo artemisinina. Geni le teh so znani po svojih stimulativnih akcijah na sekundarni metabolizem rastlin. Študija o A. annui je pokazala, da sta rolB in rolC sprožila različne učinke. Pri čemer je rolB pokazala izboljšano proizvodnjo glede na rolC. Dodatna študija o A. annui je pokazala, da ekspresija β-glukozidaze iz Trichoderma reesei, poveča gostoto žleze trichoma in proizvodnjo artemizinina.
Hidrolitski encim daje prednost sproščanju aktivnih regulatorjev rasti rastlin iz konjugatov, shranjenih v plastidih. S čimer se daje prednost tvorbi trihoma, pa tudi pri proizvodnji biomase in listni površini. Zaželeno bi bilo razviti inženirsko strategijo za povečanje gostote trichomov v kanabisu, s sprejetjem podobne strategije. Študije o trichomih konoplje bodo pomagale ugotoviti pomembne gene, med katerimi so transkripcijski faktorji (vključeni v nastanek trichoma), ki jih je mogoče uporabiti tudi za inženirske pristope.
Indijska konoplja in biotehnologija: izzivi in perspektive
Indijska konoplja je dragocena rastlina z več aplikacijami. Zato je zelo pomembno, da je genetsko inženirstvo za proizvodnjo koristnih spojin / surovih izdelkov. V tem delu pregleda bomo:
- razpravljali o napredku pri razmnoževanju konoplje, skupaj z biotehnološkimi perspektivami genskega inženirstva konoplje, s poudarjanjem izzivov in koristi,
- opisali sistem kulture, kot orodja za razširljivo proizvodnjo kanabinoidov in
- razpravljali o prednostih sistema kultivacije konoplje.
Indijska konoplja – gojenje, razmnoževanje in preoblikovanje
Gojenje konoplje je urejeno v številnih državah. Zato se veliko pozornosti namenja alternativnim tehnikam rasti. Gojenje kanabisa je tudi ugoden način za ohranjanje sort in klonov s specifičnimi podpisi metabolita.
Opisane so bile metode za razmnoževanje rastlin indijske konoplje s pomočjo stimulacije aksilarnih brstičkov na vozličastih segmentih ali indukcije naključnih brstičkov. Pokazalo se je, da so mikro razmnožene rastline genetsko stabilne. Zato je metoda primerna in uporabna tudi za klonsko razmnoževanje tega
pomembnega pridelka.
Prav tako je bil razvit protokol za vzgojo konoplje s tehnologijo sintetičnega semena. Po tem postopku so v kalcijevih alginatnih kroglicah, vdelane aksilarne brsti ali nodalni segmenti, ki jih nato lahko shranimo in nato uporabimo za klonsko razmnoževanje rastlin. Pokazalo se je, da ta sistem omogoča uspešno rast homogenih in genetsko stabilnih rastlin konoplje, tudi po 6-ih mesecih skladiščenja.
Za vzpostavitev uspešnega kanabisovega protokola, je potrebno obvladovanje tehnik kulture: ali je strategija sprejeta rastlinska eksplanta ali nediferencirana kalija, kot vhodna snov, je obnova celotne rastline obvezen korak. Regeneracija organov, zlasti poganjkov, je lahko precej okorna, zato je treba izvesti presajanje različnih koncentracij in kombinacij regulatorjev rasti rastlin, da bi našli pravo sestavo kulture.
Cannabis sativa oz. indijska konoplja je zloglasna rastlina za transformacijo, saj je učinkovitost regeneracije precej nizka in je odvisna od kombinacije kultivarjev, tkiv, rastlinskih in rastnih regulatorjev
Kot primer, čeprav so nekateri poročali o uspešni preobrazbi konoplje prek Agrobacterium tumefaciens, nediferencirane celice niso uspele regenerirati poganjkov. Celice so se preoblikovali s fosforanom izomerazo in kolorimetrične analize so pokazale uspešen izraz transgena.
Kljub temu so poročali o nekaterih uspehih pri obnovi konoplje in pokazali, da so povezani z izbiro posebnih regulatorjev za rast. Na primer, dokazano je, da dodatek thidiazurona (TDZ), ki ima citokinin podobno aktivnost, povečuje razvoj poganjkov v eksplantati konoplje in v kalciju, pridobljenem iz listov, z visoko donosnim klonom THCA.
Za več pomembnih poljščin (npr. bombaža) so bili opisani protokoli konoplje, ki uporabljajo rastlinske eksplantate (s čimer se izognemo prehodu na nediferencirane celice). Predvsem je uspelo preoblikovanje rastlin konoplje tistim, ki upoštevajo nasvete: protokol uporablja eksplantacije tipalnih konic in regeneracijski potencial apical meristema po okužbi z A. tumefaciensom. Poleg tega je bila vložena patentna prijava, ki opisuje transformacijo konoplje z 1-2 cm ekspozicijo za hipokotil, regulatorji rasti rastlin zeatin in 6-benzilaminopurin (BAP) za regeneracijo.
Korenske kulture za proizvodnjo kanabinoidov
Dodaten sistem, ki ponuja zanimive aplikacije za industrijsko proizvodnjo spojin, ki kažejo farmacevtske učinke pri ljudeh, je dlakav korenski sistem za spremenjene rastlinske tkivne kulture, ki se uporablja za preučevanje rastnih metabolnih procesov. V tej študiji so ugotovili, da so hipokotili najbolj odziven tkivo za okužbo. Kosmatimi koreninski sistem je zelo zanimiva za proizvodnjo sekundarnih metabolitov v zdravilnih rastlinah ali inženirskih modelnih rastlin za izločanje industrijsko dragocenih metabolitov. Na primer, v tobogenih transgenskih dlakavih koreninah, je bila proizvodnja THCA uspešno pridobljena z ekspresijo konoplje THCAS. Za dlakav koreninski sistem je značilna visoka stopnja rasti, ki je neodvisna od hormonov in z istim presnovnim potencialom.
Opisan je bil tudi protokol za vzpostavitev dlakavih korenin iz kultur konoplje. V tej študiji so kali gojili na polni jakosti B5, dopolnjeni z 4 mg / L 1-naftalensirćno kislino (NAA) in ocenili njihov potencial kanabinoidne proizvodnje. Avtorji so ugotovili, da je po 28 dneh gojitve v temi, opaziti vrh pri kopičenju kanabinoidov v gojiščih, dopolnjenih z različnimi koncentracijami indol-3-ocetne kisline (IAA). Vendar pa je donos ostajal pod 2 μg/g suhe teže. To kaže na to, da je na tem področju še potrebna optimizacija. Indukcija rhizogenesis v nediferenciranih konoplje celic je pomembna, ker se lahko izvaja na ključnih transkripcijskih faktorjih in / ali genih, ki sodelujejo v kanabinoidnih poti.
Proizvodnja kanabinoidov v konoplji, se lahko potem še naprej izvaja z adsorbenti, da se izognete težavam strupenosti. V alternativi lahko uporabimo inducibilne promotorje, kot je na primer glukokortikoid inducibilen promotor, ki se je že izkazal za učinkovitega pri induciranju.
Konopljine celične suspenzivne kulture za proizvodnjo kanabinoidov
Rastlinske celice suspenzijske kulture nudijo pomembne prednosti, saj se jih lahko v bioreaktorjih preoblikuje in proizvaja uporabne metabolite. Kulture kanabisa ne morejo proizvajati nobenih kanabinoidov, ne glede na kemotipe (droge, hibridne ali vlaknate), ki se uporabljajo, kot matične rastline ali regulatorji rasti, ki se uporabljajo v kulturnem mediju. Preoblikovanje suspenzijskih kulture s konopljinimi celicami z geni, vključenimi v specifične metabolične poti, lahko omogoča povečanje proizvodnje pomembnih razredov metabolitov, kot so kanabinoidi, pa tudi drugih, ki imajo potencialno farmakološko uporabo. V tem odstavku bomo razpravljali o potencialnih biotehnoloških pristopih za povečanje proizvodnje kanabinoidov v kulturi celične suspenzije konoplje.
Povečano proizvodnjo kanabinoidov v kulturah kanabisovih celičnih suspenzij, lahko dosežemo z izražanjem transkripcijskih faktorjev, vključenih v biokemijo kanabisove žleze
Transkripcijski faktorji predstavljajo močno orodje v metabolnem inženiringu rastlin, zaradi svojega “kaskadnega” mehanizma delovanja. Če so glavni regulatorji, vključeni v kanabinoidno biosintezo, identificirani v C. sativa, jih je mogoče izraziti konstitutivno ali inducibilno v kulturah kanabisa celičnih suspenzij. Pomembno je omeniti, da je bilo že dokazano, da sta dva transkripcijska faktorja, ki spadata v družino MYB, prednostno izražena v žlezah konoplje. Zato predstavljajo idealne kandidate za izražanje. Ti geni kažejo homologijo Arabidopsis thaliana MYB112 in MYB12, za katere je znano, da sodelujejo pri toleranci oksidativnega stresa in biosinteze flavonola. Izraz teh transkripcijskih faktorjev na inducibilen način je strategija, ki jo je treba preskusiti za proizvodnjo kanabinoidov. Inducirani izraz bo omejil negativne učinke, ki jih povzroča toksičnost kopičenja kanabinoidov med rastjo preoblikovanih rastlinskih celic.
Poleg pristopa genskega inženiringa, lahko spodbudimo kulture rastlinskih celic rastlinskih celic, da bi povečali proizvodnjo sekundarnih metabolitov. Literatura je bogata z zgledi v zvezi z večjim izražanjem sekundarnih metabolitov v rastlinskih celicah, ki jih povzročajo različni dejavniki. Tako biotični in abiotski dejavniki stresa, se resnično lahko uporabijo za ponovno usmerjanje metabolizma rastline: hranilniki, svetloba in temperatura so med najpogostejšimi dejavniki, ki jih manipulirajo.
V celicah suspenzije konoplje, izzivanje z biotskimi in abiotskimi elikatorji, ni spodbudilo povečanja kanabinoidov, vendar pa se je pokazalo, da jasmonsko kislino povzroča nastajanje antioksidantnega tirozola
Tukaj je treba omeniti učinek, tako daleč zapostavljenega elementa, silicija. Kljub temu, da je nebistven element rastline, je znano, da povečuje moč rastlin in ublaži učinke zunanjih stresov. Pred kratkim je bilo dokazano, da je silicij ublažil učinke soli in spodbudil proizvodnjo klorogenske kisline v zdravilu Lonicera japonica. Glede na spodbujevalne učinke, ki jih ima silicij na metabolizem rastlin, je zanimivo, da z molekularne perspektive nadalje preučujemo učinke dodatka silicija na proizvodnjo sekundarnega metabolita konoplje. Ciklodekstrini so bili uporabljeni tudi v kulturah suspenzijskih rastlinskih celic, da bi povečali proizvodnjo različnih nepolarnih metabolitov, kot so stilbeni , fitosterolicali triterpeni.
Ciklodekstrini so ciklični oligosaharidi, ki so sestavljeni iz petih ali več ostankov α-d-glukopiranoze. Znano je, da tvorijo inkluzijske komplekse z lipofilnimi spojinami, vključno s kanabinoidi v svoji hidrofobni votlini. S tem se izboljša topnost v metabolitih v vodnem okolju. Poleg tega so ciklodekstrini, zahvaljujoč njihovi kemični strukturi, podobni kot pri oligosaharidih, pridobljenih iz alkilov, ki se sproščajo iz rastlinske celične stene. Ko pride do glivične infekcije, delujejo kot povzročitelji sekundarnih metabolitov.
Zato bi bilo vredno raziskati učinek ciklodekstrina na proizvodnjo nepolarnih kanabinoidov v celičnih kulturah suspenzije konoplje.
Proizvodnja kanabinoidov v heterolognih rastlinah: kako se lahko doseže in kaj je treba upoštevati
Izraz genov, vključenih v kanabinoidno biosintetsko pot v celične suspenzijske kulture rastlin, ki niso indijska konoplja, predstavlja zanimivo alternativo za razširljivo proizvodnjo kanabinoidov. Na primer: sintetična biologija bi lahko bila uporabljena za ponovno ustvarjanje kanabinoidne biosintetske poti v heterolognih rastlinskih celicah, preko ekspresije THCAS. Skupaj z upstreammimi encimi, vključenimi v sintezo CBG. V tem pogledu je tobak svetlo rumene 2 (BY-2) celice zelo zanimiv gostitelj, saj je njegova široka uporaba v biotehnologiji rastlin, kot “delovna sila” za proizvodnjo rekombinantnih proteinov.
Biomimetična proizvodnja kanabinoidov v heterolognih rastlinskih gostiteljih je izzivna. Vendar pa strategija, ki jo je treba upoštevati, zadeva uporabo sintetičnih “metabolonov”. “Metabolon” je povezava encimov, ki izvajajo vrsto zaporednih reakcij v dani poti. Primeri za pojav metabolonov obstajajo v rastlinah, ki vključujejo, na primer, sintezo fenilpropanoidov in cianogeni glikozid dhurrin. Celotne metabolne poti se lahko načrtujejo s pomočjo sintetičnih metabolonov, ki omogočajo povezovanje encimov v neposredni bližini. To omogoča učinkovitejše ranžiranje intermediatov na aktivnem mestu encimov, ki delujejo v verigi. Eden od možnih načinov za sestavljanje sintetičnega metabolona, je uporaba proteina, ki omogoča povezavo encimov. V konkretnem primeru proizvodnje kanabinoidov, lahko ustvarimo sintetični metabolon, ki obsega, na primer, tip III PKS in OAC. Skupaj z aromatično preniltransferazo in THCAS, je mogoče doseči:
- uporabo modulov dockerin-kohezina ali
- metazoanskih signalnih proteinov SH3-, PDZ-, GBD-vezavnih domen ali
- domen SpyCatcher / SpyTag.
Zahvaljujoč razvoju metod, kot je na primer kloniranje, sestava multimodalnih konstruktov za izražanje v rastlinah, ni več nepremostljiv izziv
Ko se kanabinoidi proizvajajo v heterolognih rastlinskih gostiteljih, je treba upoštevati učinke toksičnosti. Dokazano je bilo namreč, da THCA in CBGA povzročata celično smrt preko apoptoze v celicah konoplje in tobaka BY-2. Pri kulturah suspenzijskih rastlinskih celic, ki se gojijo v bioreaktorjih, je lahko odstranitev proizvoda prek dvofaznega kulturnega sistema, koristna za nakopičenje strupenih metabolitov, proizvedenih na mestih, ki so ločeni od celic. Uporaba adsorbentov v gojitvenem mediju, ne more samo zasvojiti toksičnih spojin, ampak tudi spodbudi sekundarno biosintezo metabolita.
Eden dodaten pristop, ki ga je mogoče uporabiti za preprečevanje toksičnosti proizvoda v kulturah suspenzijskih rastlinskih celic, je umetna kompartmentalizacija. Ta pristop je bil predlagan v A. annua celičnih kulturah za proizvodnjo artemisinina. Avtorji so povzročili nastanek umetnega oddelka, ki ga povzročajo membrane, ki izvirajo iz endocitoze in izmenjavo z endoplazmično retikulum-vakuolom. Ustvarjanje umetnega oddelka se lahko uporablja za proizvodnjo kanabinoidov, saj lahko uniči in stabilizira strupene sekundarne metabolite, dokler se ne izvaja ekstrakcija, na način, podoben tistemu, ki je bil opisan za artemizinin.
Perspektive in sklep
Indijska konoplja je edinstvena, vsestranska rastlina, ki v kratkem času lahko zagotovi veliko količino biomase. Korenine konoplje se uporabljajo kot vir lesnih in ličastih vlaken za gradbeništvo in avtomobilsko industrijo. Medtem se semena konoplje uporabljajo, kot vir prehranskih olj, listov konoplje in cvetov, kot vira bioaktivnih sestavin.
Do danes je bilo v konoplji opisano več kot 540 fitokemikalij. Njihova farmakološka lastnost precej presega psihotične učinke, z zmogljivostjo za obravnavanje potreb, kot so olajšanje slabosti in anoreksije, ki jih povzročajo kemoterapije in simptomatsko ublažitev multiple skleroze.
Stalno odkrivanje novih prototipov drog je izjemno pomembno za izpolnitev jutrišnjih izzivov na področju javnega zdravja. Narava že zagotavlja velik vir novih molekul. Nedavni pregled poročanja o novih zdravilih, ki so bili na trgu na voljo v zadnjih 30 letih, je pokazal, da ima več kot 35% teh novih zdravil neposreden naravni izvor. Ta odstotek se poveča na več kot 60%, če upoštevamo vsa zdravila, katerih strukturo navdihuje naravni farmakofor. Indijska konoplja predstavlja ogromen potencial za razširitev knjižnice bioaktivnih metabolitov. Spojine lahko dobimo iz trihomov konoplje, celičnih suspenzijskih kulture, kosmatih koreninskih sistemov ali preko biotransformacije THCA ali CBDA, ki uporablja glivične, bakterijske ali rastlinske celice.
Indijska konoplja je že zelo dobro raziskana
Naše naraščajoče znanje o ključnih molekularnih komponentah, ki sprožijo različne fitokemične poti v rastlinah, lahko z uporabo pristopa genskega inženiringa, tudi omogoči nadaljnjo povečanje proizvodnje specifičnih kanabinoidov, terpenov ali fenolnih spojin ali rekonstruiranje v heterolognih sistemih, s pristopom sintetične biologije. Poleg pomembnosti študij, usmerjenih v izboljšanje genetske transformacije kanabisa, je treba vedeti več o regulativnih mehanizmih, ki so vključeni v proizvodnjo sekundarnega presnovka v Cannabis sativi. Na primer, enzimološke in strukturne študije bodo pomagale oblikovati pristopi beljakovinskega inženirstva za izboljšanje katalitičnih funkcij ključnih encimov.
Vendar pa bi bile še potrebne nadaljnje študije, da bi razjasnili druge ključne gene, vključene v biosintezne poti, na primer, manjše količine kanabinoidnih derivatov. V ta namen bi kombinacija metabolomike s funkcionalnimi značilnostmi genskih izdelkov, ki temeljijo na genomih, zagotovila pospešeno pot do odkrivanja novih biosintetskih poti do specializiranih metabolitov. Dejansko so bile funkcije številnih genov identificirane in označene s korelacijo ekspresije genov in akumulacije metabolita. Klasični pristopi so bili osredotočeni na prostorsko in časovno porazdelitev ciljnih fitokemikalij in na transcriptom rastline. To je vplivalo na razvojne faze in okoljske obremenitve. V zvezi s ponovnim zanimanjem za Phytochemicals Cannabis danes, bodo rezultati takšnih študij na voljo že kmalu.
VIRI:
Drugs.com Know more. Be sure.1,2, Business Insider Australia * ,United States Drug Enforcement Administration *, SAMHSA *, NIH – National Institute on Drug Abuse *, ScienceDirect *, PMC – US National Library of Medicine National Institute of Health *, PEACENATURALS Medical Cannabis *, Civilized. *, CTVNews *,
V kolikor vas zanima več podrobnosti o sami konoplji in katere so vrste konoplje, spremljate na našem blogu.