Jak rostlina kava produkuje své molekuly proti bolesti a proti úzkosti

Kava (Piper methysticum) je rostlina pocházející z polynéských ostrovů, kterou tamní lidé používají v uklidňujícím nápoji stejného jména při náboženských a kulturních rituálech po tisíce let. Tradice pěstování kavy a pití během důležitých shromáždění je kulturním základním kamenem sdíleným po velké části Polynésie, ačkoli specifické zvyky – a kmeny kavy-se liší od ostrova k ostrovu. V posledních několika desetiletích, kava získává zájem mimo ostrovy o své vlastnosti proti bolesti a úzkosti jako potenciálně atraktivní alternativu k lékům, jako jsou opioidy a benzodiazepiny, protože kavalaktony, molekuly léčivého zájmu v kava, používají mírně odlišné mechanismy k ovlivnění centrálního nervového systému a zdají se být návykové. Kava bary se objevují po celých Spojených státech, kava doplňky a čaje lemující police v obchodech, jako je Walmart, a sportovní postavy, které potřebují bezpečnou úlevu od bolesti, vychvalují jeho výhody.

toto rostoucí využití naznačuje, že by existoval značný trh pro lékařské terapie založené na kavalaktonu, ale existují překážky rozvoje: pro jednoho, kava je těžké kultivovat, zejména mimo tropy. Kava trvá roky, než dosáhne zralosti, a jako domestikovaný druh, který již neprodukuje semena, může být množen pouze pomocí řízků. To může vědcům ztížit získání dostatečně velkého množství kavalaktonů pro vyšetřování nebo klinické studie.

nyní výzkum člena Whitehead Institute a docenta biologie mit Jing-Ke Weng a postdoktora Tomáše Pluskala, publikovaného online v Nature Plants 22. července, popisuje způsob, jak tento problém vyřešit, a také vytvořit varianty kavalaktonu, které se v přírodě nenacházejí, které mohou být účinnější nebo bezpečnější jako terapeutika.

„kombinujeme historické znalosti o léčivých vlastnostech této rostliny, které byly zavedeny staletími tradičního použití, s moderními výzkumnými nástroji za účelem potenciálního vývoje nových léků,“ říká Pluskal.

wengova laboratoř ukázala, že pokud vědci zjistí geny za žádoucí přirozenou molekulou-v tomto případě kavalaktony-mohou tyto geny klonovat—vložit je do druhů, jako jsou kvasinky nebo bakterie, které rychle rostou a snáze se udržují v různých prostředích než Temperamentní tropická rostlina, a pak přimět tyto mikrobiální bio-továrny, aby hromadně produkovaly molekulu. Aby toho bylo dosaženo, museli nejprve Weng a Pluskal vyřešit složitou hádanku: jak kava produkuje kavalaktony? Neexistuje žádný přímý Gen kavalaktonu; komplexní metabolity, jako jsou kavalaktony, jsou vytvářeny řadou kroků pomocí mezilehlých molekul. Buňky mohou tyto meziprodukty kombinovat, vyříznout jejich části a přidat na ně bity, aby vytvořily konečnou molekulu-většina z nich se provádí pomocí enzymů, katalyzátorů chemické reakce buněk. Aby vědci znovu vytvořili produkci kavalaktonu, museli identifikovat úplnou cestu, kterou rostliny používají k syntéze, včetně genů pro všechny zúčastněné enzymy.

vědci nemohli použít genetické sekvenování nebo běžné nástroje pro úpravu genů k identifikaci enzymů, protože genom kava je obrovský; má 130 chromozomů ve srovnání s 46 lidmi. Místo toho se obrátili na jiné metody, včetně sekvenování RNA rostliny, aby prozkoumali exprimované geny, identifikovat biosyntetickou cestu pro kavalaktony.

„je to, jako byste měli na podlaze roztroušenou spoustu Lego kusů, „říká Weng,“ a musíte najít ty, které do sebe zapadají, aby vytvořily určitý objekt.“

Weng a Pluskal měli dobrý výchozí bod: uznali, že kavalaktony mají podobnou strukturální páteř jako chalkony, metabolity sdílené všemi suchozemskými rostlinami. Předpokládali, že jeden z enzymů podílejících se na produkci kavalaktonů musí souviset s enzymem podílejícím se na produkci chalkonů, chalkonsyntázy (CHS). Hledali geny kódující podobné enzymy a našli dvě syntázy, které se vyvinuly ze staršího genu CHS. Tyto syntázy, které nazývají PmSPS1 a PmSPS2, pomáhají formovat základní lešení molekul kavalaktonů.

pak Pluskal s určitým pokusem a omylem našel geny kódující řadu krejčovských enzymů, které modifikují a přidávají do páteře molekul, aby vytvořily řadu specifických kavalaktonů. Aby bylo možné otestovat, že identifikoval správné enzymy, Pluskal klonoval příslušné geny a potvrdil, že enzymy, které kódují, produkovaly očekávané molekuly. Tým také identifikoval klíčové enzymy v biosyntetické dráze flavokavainů, molekul v kava, které jsou strukturálně příbuzné kavalaktonům a ve studiích bylo prokázáno, že mají protirakovinné vlastnosti.

jakmile vědci měli své kavalaktonové geny, vložili je do bakterií a kvasinek, aby začali produkovat molekuly. Tento důkaz koncepce jejich mikrobiálního bio-továrního modelu prokázal, že použití mikrobů by mohlo poskytnout efektivnější a škálovatelnější výrobní vozidlo pro kavalaktony. Model by také mohl umožnit produkci nových molekul vytvořených kombinací kava genů s jinými geny, takže mikroby by produkovaly modifikované kavalaktony. To by mohlo vědcům umožnit optimalizovat molekuly pro účinnost a bezpečnost jako terapeutika.

„existuje velmi naléhavá potřeba terapií k léčbě duševních poruch a bezpečnějších možností úlevy od bolesti,“ říká Weng. „Náš model eliminuje několik úzkých míst ve vývoji léčiv z rostlin tím, že zvyšuje přístup k přírodním léčivým molekulám a umožňuje vytvářet molekuly nové povahy.“

Kava je pouze jednou z mnoha rostlin po celém světě obsahujících jedinečné molekuly, které by mohly mít velkou léčivou hodnotu. Weng a Pluskal doufají, že jejich model-kombinující použití objevu léků z rostlin používaných v tradiční medicíně, genomika, syntetická biologie, a mikrobiální hromadná výroba—bude použit k lepšímu využití velké rozmanitosti rostlinné chemie po celém světě s cílem pomoci pacientům v nouzi.