Miten kava-kasvi tuottaa kipua lievittäviä ja ahdistusta lievittäviä molekyylejään

Kava (Piper methysticum) on Polynesian saarilta kotoisin oleva kasvi, jota sikäläiset ihmiset ovat käyttäneet samannimiseen rauhoittavaan juomaan uskonnollisissa ja kulttuurisissa rituaaleissa tuhansien vuosien ajan. Perinne viljellä kavaa ja juoda sitä tärkeiden kokoontumisten aikana on kulttuurinen kulmakivi, joka on yhteinen suuressa osassa Polynesiaa, vaikka Kavan erityiset tavat-ja kannat-vaihtelevat saaresta toiseen. Viime vuosikymmenten aikana kava on saanut kiinnostusta saarten ulkopuolella sen kivunlievitys-ja ahdistuslääkitysominaisuuksistaan mahdollisesti houkuttelevana vaihtoehtona lääkkeille, kuten opioideille ja bentsodiatsepiineille, koska kava: n lääkeainemolekyylit käyttävät hieman erilaisia mekanismeja vaikuttaakseen keskushermostoon ja näyttävät olevan riippuvuutta aiheuttamattomia. Kava-baareja on noussut ympäri Yhdysvaltoja, Kava-lisäravinteita ja teetä, jotka vuoraavat hyllyjä myymälöissä kuten Walmartissa, ja turvallista kivunlievitystä tarvitsevat urheiluhahmot mainostavat sen etuja.

tämä kasvava käyttö viittaa siihen, että kavalaktoniin perustuville lääketieteellisille hoidoille olisi suuret markkinat, mutta kehityksen tiellä on esteitä: kavaa on vaikea viljellä erityisesti tropiikin ulkopuolella. Kava kestää vuosia saavuttaa sukukypsyyden ja, koska kotieläimenä laji, joka ei enää tuota siemeniä, se voidaan lisätä vain pistokkaita. Tämä voi vaikeuttaa tutkijoiden saada riittävän suuri määrä kavalaktoneja tutkimuksiin tai kliinisiin kokeisiin.

nyt Whitehead Instituten jäsenen ja MIT: n biologian apulaisprofessorin Jing-Ke Wengin ja postdoc Tomáš Pluskalin tutkimus, joka julkaistiin verkossa Nature Plants-lehdessä 22.heinäkuuta, kuvaa tapaa ratkaista tämä ongelma sekä luoda sellaisia kavalaktonivariantteja, joita ei löydy luonnosta ja jotka voivat olla tehokkaampia tai turvallisempia terapeuttisina lääkkeinä.

”yhdistämme vuosisataisen perinteisen käytön kautta vakiintunutta historiallista tietoa tämän kasvin lääkinnällisistä ominaisuuksista nykyaikaisiin tutkimusvälineisiin, jotta voidaan mahdollisesti kehittää uusia lääkkeitä”, Pluskal sanoo.

Wengin laboratorio on osoittanut, että jos tutkijat selvittävät haluttavan luonnollisen molekyylin takana olevat geenit—tässä tapauksessa kavalaktonit—he voivat kloonata nämä geenit, lisätä ne lajeihin, kuten hiivaan tai bakteereihin, jotka kasvavat nopeasti ja joita on helpompi ylläpitää erilaisissa ympäristöissä kuin Temperamenttinen trooppinen kasvi, ja sitten saada nämä mikrobien biotehtaat tuottamaan molekyyliä massoittain. Tämän saavuttamiseksi Wengin ja Pluskalin oli ensin ratkaistava monimutkainen arvoitus: miten kava tuottaa kavalaktoneja? Suoraa kavalaktonigeeniä ei ole; monimutkaisia aineenvaihduntatuotteita, kuten kavalaktoneja, syntyy useiden vaiheiden kautta välimolekyylien avulla. Solut voivat yhdistää näitä välituotteita, leikata niistä osia pois ja lisätä niihin bittejä, jolloin syntyy lopullinen molekyyli-josta suurin osa tapahtuu entsyymien, solujen kemiallisten reaktiokatalyyttien avulla. Jotta kavalaktonin tuotanto voitaisiin luoda uudelleen, tutkijoiden oli tunnistettava täydellinen reitti, jota kasvit käyttävät sen syntetisoimiseen, mukaan lukien kaikkien mukana olevien entsyymien geenit.

tutkijat eivät voineet käyttää geneettistä sekvensointia tai yhteisiä geenimuokkaustyökaluja entsyymien tunnistamiseen, koska kava-genomi on valtava; sillä on 130 kromosomia verrattuna ihmisen 46. Sen sijaan he turvautuivat muihin menetelmiin, mukaan lukien kasvin RNA: n sekvensoiminen, jotta voitaisiin kartoittaa ilmenneitä geenejä, kavalaktonien biosynteettisen reitin tunnistamiseksi.

”aivan kuin lattialle olisi ripoteltu paljon Legopaloja, ja pitää löytää ne, jotka sopivat yhteen tietyn esineen rakentamiseksi, Weng sanoo.”

Wengillä ja Pluskalilla oli hyvä lähtökohta: he tunnustivat, että kavalaktoneilla on samanlainen rakenteellinen selkäranka kuin chalconeilla, jotka ovat kaikkien maakasvien jakamia aineenvaihduntatuotteita. He olettivat, että yhden kavalaktonien tuottamiseen osallistuvista entsyymeistä täytyy olla sukua kalkonien tuottamiseen osallistuvalle entsyymille, kalkonisyntaasille (CHS). He etsivät samankaltaisia entsyymejä koodaavia geenejä ja löysivät kaksi syntaasia, jotka olivat kehittyneet vanhemmasta CHS-geenistä. Nämä syntaasit, joita he kutsuvat PmSPS1: ksi ja PmSPS2: ksi, auttavat muokkaamaan kavalaktonien molekyylien perustelineitä.

sitten, jonkin yrityksen ja erehdyksen kautta, Pluskal löysi geenit, jotka koodaavat useita räätälöiviä entsyymejä, jotka muokkaavat ja lisäävät molekyylien selkärankaa luodakseen erilaisia erityisiä kavalaktoneja. Testatakseen, että hän oli tunnistanut oikeat entsyymit, Pluskal kloonasi asiaankuuluvat geenit ja vahvisti, että heidän koodaamansa entsyymit tuottivat odotetut molekyylit. Tutkimusryhmä tunnisti myös flavokavaanien biosynteettisen reitin avainentsyymejä, Kavan molekyylejä, jotka ovat rakenteellisesti samankaltaisia kavalaktonien kanssa ja joilla on tutkimuksissa osoitettu olevan syövän vastaisia ominaisuuksia.

kun tutkijat saivat kavalaktonigeeninsä, he lisäsivät ne bakteereihin ja hiivaan alkaakseen tuottaa molekyylejä. Tämä todiste konseptista heidän mikrobiologiselle biotehdasmallilleen osoitti, että mikrobien avulla voitaisiin saada kavalaktoneille tehokkaampi ja skaalautuvampi tuotantoväline. Malli voisi myös mahdollistaa uusien molekyylien tuotannon yhdistämällä kava-geenejä muihin geeneihin, jolloin mikrobit tuottaisivat muunneltuja kavalaktoneja. Tämä voisi antaa tutkijoille mahdollisuuden optimoida molekyylit tehokkuuteen ja turvallisuuteen terapeuttisina lääkkeinä.

”mielenterveyshäiriöiden hoitoon tarvitaan kipeästi hoitoja ja turvallisempia kivunlievitysvaihtoehtoja”, Weng sanoo. ”Mallimme poistaa useita lääkekehityksen pullonkauloja kasveista lisäämällä luonnollisten lääkemolekyylien saatavuutta ja mahdollistamalla uusien luonnonläheisten molekyylien luomisen.”

Kava on vain yksi monista kasveista ympäri maailmaa, jotka sisältävät ainutlaatuisia molekyylejä, joilla voi olla suurta lääkinnällistä arvoa. Weng ja Pluskal toivovat, että heidän malliaan—jossa yhdistyvät perinteisessä lääketieteessä, genomiikassa, synteettisessä biologiassa ja mikrobien massatuotannossa käytetyistä kasveista saadut lääkeainelöydöt—hyödynnetään hyödyntämään paremmin kasvikemian suurta monimuotoisuutta eri puolilla maailmaa auttaakseen hädässä olevia potilaita.