Wie die Kava-Pflanze ihre schmerzlindernden und angstlösenden Moleküle produziert

Kava (Piper methysticum) ist eine auf den polynesischen Inseln beheimatete Pflanze, die die Menschen dort seit Tausenden von Jahren in einem beruhigenden Getränk mit dem gleichen Namen in religiösen und kulturellen Ritualen verwenden. Die Tradition, Kava zu kultivieren und während wichtiger Versammlungen zu trinken, ist ein kultureller Eckpfeiler, der in weiten Teilen Polynesiens geteilt wird, obwohl die spezifischen Bräuche — und die Stämme von Kava — von Insel zu Insel variieren. In den letzten Jahrzehnten hat Kava außerhalb der Inseln wegen seiner schmerzlindernden und angstlösenden Eigenschaften als potenziell attraktive Alternative zu Medikamenten wie Opioiden und Benzodiazepinen an Interesse gewonnen, da Kavalactone, die Moleküle von medizinischem Interesse in Kava, leicht unterschiedliche Mechanismen verwenden, um das zentrale Nervensystem zu beeinflussen und nicht süchtig zu machen. Kava-Riegel sind in den Vereinigten Staaten entstanden, Kava-Ergänzungen und Tees säumen die Regale in Geschäften wie Walmart, und Sportfiguren, die eine sichere Schmerzlinderung benötigen, werben für ihre Vorteile.

Diese wachsende Nutzung deutet darauf hin, dass es einen beträchtlichen Markt für Kavalacton-basierte medizinische Therapien geben würde, aber es gibt Hindernisse für die Entwicklung: Zum einen ist Kava schwer zu kultivieren, besonders außerhalb der Tropen. Kava braucht Jahre, um reif zu werden, und als domestizierte Art, die keine Samen mehr produziert, kann sie nur mit Stecklingen vermehrt werden. Dies kann es für Forscher schwierig machen, eine ausreichend große Menge an Kavalactonen für Untersuchungen oder klinische Studien zu erhalten.

Nun, Forschung von Whitehead Institute Mitglied und MIT Associate Professor für Biologie Jing-Ke Weng und Postdoc Tomáš Pluskal, online veröffentlicht in Nature Plants Juli 22, beschreibt einen Weg, um dieses Problem zu lösen, sowie Kavalacton Varianten nicht in der Natur gefunden, die effektiver oder sicherer als Therapeutika sein können.

„Wir kombinieren historisches Wissen über die medizinischen Eigenschaften dieser Pflanze, das durch Jahrhunderte traditionellen Gebrauchs entstanden ist, mit modernen Forschungsinstrumenten, um möglicherweise neue Medikamente zu entwickeln“, sagt Pluskal.

Wengs Labor hat gezeigt, dass Forscher, wenn sie die Gene hinter einem wünschenswerten natürlichen Molekül — in diesem Fall Kavalactone — herausfinden, diese Gene klonen und in Arten wie Hefen oder Bakterien einfügen können, die schnell wachsen und in einer Vielzahl von Umgebungen leichter zu pflegen sind als eine temperamentvolle tropische Pflanze, und dann diese mikrobiellen Bio-Fabriken dazu bringen können, das Molekül in Massen zu produzieren. Um dies zu erreichen, mussten Weng und Pluskal zunächst ein kompliziertes Rätsel lösen: Wie produziert Kava Kavalactone? Es gibt kein direktes Kavalacton-Gen; komplexe Metaboliten wie Kavalactone werden durch eine Reihe von Schritten unter Verwendung von Zwischenmolekülen erzeugt. Zellen können diese Zwischenprodukte kombinieren, Teile davon herausschneiden und Bits hinzufügen, um das endgültige Molekül zu erzeugen — das meiste davon geschieht mit Hilfe von Enzymen, den chemischen Reaktionskatalysatoren der Zellen. Um die Kavalactonproduktion nachzubilden, mussten die Forscher den gesamten Weg identifizieren, den Pflanzen zur Synthese verwenden, einschließlich der Gene für alle beteiligten Enzyme.

Die Forscher konnten keine genetische Sequenzierung oder gängige Gen-Editing-Tools verwenden, um die Enzyme zu identifizieren, da das Kava-Genom riesig ist; es hat 130 Chromosomen im Vergleich zu Menschen‘ 46. Stattdessen wandten sie sich anderen Methoden zu, einschließlich der Sequenzierung der RNA der Pflanze, um die exprimierten Gene zu untersuchen und den Biosyntheseweg für Kavalactone zu identifizieren.

“ Es ist, als hätte man viele Legosteine auf dem Boden verstreut „, sagt Weng, „und man muss diejenigen finden, die zusammenpassen, um ein bestimmtes Objekt zu bauen.“

Weng und Pluskal hatten einen guten Ausgangspunkt: Sie erkannten, dass Kavalactone ein ähnliches strukturelles Rückgrat wie Chalcone hatten, Metaboliten, die von allen Landpflanzen gemeinsam genutzt werden. Sie stellten die Hypothese auf, dass eines der an der Herstellung von Kavalactonen beteiligten Enzyme mit dem an der Herstellung von Chalkonen beteiligten verwandt sein muss, der Chalkonsynthase (CHS). Sie suchten nach Genen, die für ähnliche Enzyme kodieren, und fanden zwei Synthasen, die sich aus einem älteren CHS-Gen entwickelt hatten. Diese Synthasen, die sie PmSPS1 und PmSPS2 nennen, tragen dazu bei, das Grundgerüst von Kavalactonmolekülen zu formen.

Dann fand Pluskal mit einigem Versuch und Irrtum die Gene, die für eine Reihe von maßgeschneiderten Enzymen kodieren, die das Rückgrat der Moleküle modifizieren und ergänzen, um eine Vielzahl spezifischer Kavalactone zu erzeugen. Um zu testen, ob er die richtigen Enzyme identifiziert hatte, klonierte Pluskal die relevanten Gene und bestätigte, dass die Enzyme, für die sie kodieren, die erwarteten Moleküle produzierten. Das Team identifizierte auch Schlüsselenzyme im Biosyntheseweg von Flavokavainen, Molekülen in Kava, die strukturell mit Kavalactonen verwandt sind und in Studien gezeigt haben, dass sie krebshemmende Eigenschaften haben.

Sobald die Forscher ihre Kavalacton-Gene hatten, fügten sie sie in Bakterien und Hefen ein, um mit der Produktion der Moleküle zu beginnen. Dieser Proof of Concept für ihr mikrobielles Bio-Factory-Modell zeigte, dass die Verwendung von Mikroben ein effizienteres und skalierbareres Produktionsvehikel für Kavalactone bieten könnte. Das Modell könnte auch die Herstellung neuartiger Moleküle ermöglichen, die durch die Kombination von Kava-Genen mit anderen Genen hergestellt werden, so dass die Mikroben modifizierte Kavalactone produzieren. Dies könnte es Forschern ermöglichen, die Moleküle für Effizienz und Sicherheit als Therapeutika zu optimieren.

„Es besteht ein sehr dringender Bedarf an Therapien zur Behandlung psychischer Störungen und an sichereren Schmerzlinderungsmöglichkeiten“, sagt Weng. „Unser Modell beseitigt einige der Engpässe bei der Arzneimittelentwicklung aus Pflanzen, indem es den Zugang zu natürlichen medizinischen Molekülen verbessert und die Schaffung neuer Moleküle ermöglicht.“

Kava ist nur eine von vielen Pflanzen auf der ganzen Welt, die einzigartige Moleküle enthalten, die von großem medizinischen Wert sein könnten. Weng und Pluskal hoffen, dass ihr Modell – die Kombination der Wirkstoffforschung aus Pflanzen, die in der traditionellen Medizin, der Genomik, der synthetischen Biologie und der mikrobiellen Massenproduktion verwendet werden — verwendet wird, um die große Vielfalt der Pflanzenchemie auf der ganzen Welt besser zu nutzen, um Patienten in Not zu helfen.