Hogyan állítja elő a kava növény fájdalomcsillapító és szorongásgátló molekuláit

A Kava (Piper methysticum) a polinéz szigeteken őshonos növény, amelyet az emberek évezredek óta használnak az azonos nevű nyugtató italban vallási és kulturális rituálékban. A kava termesztésének és ivásának hagyománya fontos összejövetelek során kulturális sarokköve Polinézia nagy részén, bár a sajátos szokások—és a kava törzsei—szigetenként változnak. Az elmúlt néhány évtizedben a kava a Szigeteken kívül is érdeklődést váltott ki fájdalomcsillapító és szorongásgátló tulajdonságai miatt, mint potenciálisan vonzó alternatíva az olyan gyógyszerek számára, mint az opioidok és a benzodiazepinek, mivel a kava gyógyászati érdeklődésre számot tartó molekulái kissé eltérő mechanizmusokat használnak a központi idegrendszer befolyásolására, és úgy tűnik, hogy nem függőséget okoznak. Kava bárok már ugrott fel szerte az Egyesült Államokban, kava kiegészítők és teák bélés a polcokon a boltokban, mint a Walmart, és a sport számok szoruló biztonságos fájdalomcsillapítás hirdetik annak előnyeit.

ez a növekvő használat azt sugallja, hogy a kavalakton alapú orvosi terápiák jelentős piaca lenne, de vannak akadályok a fejlődéshez: az egyik, a kava-t nehéz művelni, különösen a trópusokon kívül. A Kava évekig tart az érettség elérése érdekében, és háziasított fajként, amely már nem termel magokat, csak dugványokkal szaporítható. Ez megnehezítheti a kutatók számára, hogy elég nagy mennyiségű kavalaktont kapjanak vizsgálatokhoz vagy klinikai vizsgálatokhoz.

most, a Whitehead Intézet tagja és az MIT biológia docense, Jing-Ke Weng és postdoc Tom 6pluskal kutatása, amelyet online publikáltak a nature plants július 22-én, leírja a probléma megoldásának módját, valamint a természetben nem található kavalakton variánsok létrehozását, amelyek hatékonyabbak vagy biztonságosabbak lehetnek terápiaként.

“a növény gyógyászati tulajdonságainak történelmi ismereteit, amelyeket a hagyományos használat évszázadai során hoztak létre, modern kutatási eszközökkel kombináljuk annak érdekében, hogy potenciálisan új gyógyszereket fejlesszünk ki” – mondja Pluskal.

Weng laboratóriuma kimutatta, hogy ha a kutatók kitalálják a kívánatos természetes molekula—ebben az esetben a kavalaktonok—mögött álló géneket, klónozhatják ezeket a géneket, beilleszthetik azokat olyan fajokba, mint az élesztő vagy a baktériumok, amelyek gyorsan növekednek és könnyebben fenntarthatók különböző környezetben, mint egy Temperamentumos trópusi növény, majd ezeket a mikrobiális biogyárakat tömegesen előállíthatják a molekulát. Ennek elérése érdekében először Wengnek és Pluskalnak meg kellett oldania egy bonyolult rejtvényt: hogyan termel Kava kavalaktonokat? Nincs közvetlen kavalakton gén; a komplex metabolitok, mint például a kavalaktonok, közbenső molekulák felhasználásával végzett lépések sorozatával jönnek létre. A sejtek kombinálhatják ezeket az intermediereket, kivághatják részeiket, és biteket adhatnak rájuk, hogy létrehozzák a végső molekulát—amelynek nagy részét enzimek, a sejtek kémiai reakció katalizátorai segítségével végzik. Tehát a kavalaktontermelés újrateremtése érdekében a kutatóknak meg kellett határozniuk a növények szintéziséhez használt teljes útvonalat, beleértve az összes érintett enzim génjeit is.

a kutatók nem tudtak genetikai szekvenálást vagy közös génszerkesztő eszközöket használni az enzimek azonosítására, mert a kava Genom hatalmas; 130 kromoszómával rendelkezik az emberek 46-hoz képest. Ehelyett más módszerekhez fordultak, beleértve a növényi RNS szekvenálását az expresszált gének felmérésére, a kavalaktonok bioszintetikus útjának azonosítására.

“olyan, mintha sok Lego darab lenne szétszórva a padlón” – mondja Weng -, és meg kell találnod azokat, amelyek illeszkednek egymáshoz egy bizonyos tárgy felépítéséhez.”

Wengnek és Pluskalnak jó kiindulási pontja volt: felismerték, hogy a kavalaktonok szerkezeti gerince hasonló a kalkonokhoz, az összes szárazföldi növény által megosztott metabolitokhoz. Feltételezték, hogy a kavalaktonok előállításában részt vevő enzimek egyikének kapcsolatban kell állnia a kalkonok előállításában részt vevő enzimekkel, a kalkonszintázzal (CHS). Hasonló enzimeket kódoló géneket kerestek, és két szintázt találtak, amelyek egy régebbi CHS génből fejlődtek ki. Ezek a szintázok, amelyeket PmSPS1-nek és PmSPS2-nek neveznek, segítenek a kavalaktonok molekuláinak alapállványainak kialakításában.

ezután néhány próbálkozással és hibával Pluskal megtalálta azokat a géneket, amelyek számos szabóenzimet kódolnak, amelyek módosítják és hozzáadják a molekulák gerincét, hogy különféle specifikus kavalaktonokat hozzanak létre. Annak tesztelésére, hogy a megfelelő enzimeket azonosította-e, Pluskal klónozta a releváns géneket, és megerősítette, hogy az általuk kódolt enzimek előállítják a várt molekulákat. A csapat azonosította a legfontosabb enzimeket a flavokavain bioszintetikus útvonalában, a kava molekuláiban, amelyek szerkezetileg rokonok a kavalaktonokkal, és a vizsgálatok kimutatták, hogy rákellenes tulajdonságokkal rendelkeznek.

miután a kutatók megkapták a kavalakton géneket, beillesztették őket baktériumokba és élesztőbe, hogy elkezdjék termelni a molekulákat. A mikrobiális bio-gyári modelljük koncepciójának ez a bizonyítéka megmutatta, hogy a mikrobák használata hatékonyabb és skálázható gyártási vivőanyagot biztosíthat a kavalaktonok számára. A modell lehetővé teheti új molekulák előállítását is, amelyeket úgy terveztek, hogy kava géneket kombináltak más génekkel, így a mikrobák módosított kavalaktonokat termelnek. Ez lehetővé tenné a kutatók számára, hogy optimalizálják a molekulákat a hatékonyság és a biztonság érdekében.

“nagyon sürgős szükség van a mentális rendellenességek kezelésére szolgáló terápiákra és a biztonságosabb fájdalomcsillapítási lehetőségekre” – mondja Weng. “Modellünk kiküszöböli a növények gyógyszerfejlesztésének számos szűk keresztmetszetét azáltal, hogy növeli a természetes gyógyszermolekulákhoz való hozzáférést, és lehetővé teszi a természethez új molekulák létrehozását.”

A Kava csak egy a sok növény közül a világon, amelyek egyedülálló molekulákat tartalmaznak, amelyek nagy gyógyászati értékkel bírhatnak. Weng és Pluskal remélik, hogy modelljüket—a hagyományos orvoslásban, a genomikában, a szintetikus biológiában és a mikrobiális tömegtermelésben használt növények gyógyszerfelfedezésének kombinálásával-arra fogják használni, hogy jobban kiaknázzák a növényi kémia sokféleségét szerte a világon annak érdekében, hogy segítsék a rászoruló betegeket.