Hvordan kava-anlegget produserer sine smertelindrende og anti-angstmolekyler

Kava (Piper methysticum) er en plante innfødt Til De Polynesiske øyene som folk der har brukt i en beroligende drink med samme navn i religiøse og kulturelle ritualer i tusenvis av år. Tradisjonen med å dyrke kava og drikke det under viktige sammenkomster er en kulturell hjørnestein delt i Store Deler Av Polynesia, selv om de spesifikke skikker—og stammer av kava-varierer fra øy til øy. I løpet av de siste tiårene har kava fått interesse utenfor øyene for smertelindring og anti-angst egenskaper som et potensielt attraktivt alternativ til stoffer som opioider og benzodiazepiner fordi kavalaktoner, molekylene av medisinsk interesse i kava, bruker litt forskjellige mekanismer for å påvirke sentralnervesystemet og ser ut til å være ikke-vanedannende. Kava barer har spratt opp rundt Usa, kava kosttilskudd og te lining hyllene på butikker Som Walmart, og sport tall som trenger sikker smertelindring er touting sine fordeler.

denne økende bruken antyder at det ville være et betydelig marked for kavalaktonbaserte medisinske terapier, men det er veisperringer for utvikling: for en er kava vanskelig å dyrke, spesielt utenfor tropene. Kava tar år å nå modenhet, og som en domesticated art som ikke lenger produserer frø, kan den bare forplantes ved hjelp av stiklinger. Dette kan gjøre det vanskelig for forskere å få en stor nok mengde kavalaktoner til undersøkelser eller kliniske studier.

nå, forskning Fra Whitehead Institute medlem OG mit førsteamanuensis i biologi Jing-Ke Weng Og postdoc Tomáš Pluskal, publisert online i nature Plants Juli 22, beskriver en måte å løse det problemet, samt å skape kavalactone varianter ikke finnes i naturen som kan være mer effektive eller tryggere som therapeutics.

«vi kombinerer historisk kunnskap om denne plantens medisinske egenskaper, etablert gjennom århundrer med tradisjonell bruk, med moderne forskningsverktøy for potensielt å utvikle nye stoffer,» Sier Pluskal.

Wengs laboratorium har vist at hvis forskere finner ut genene bak et ønskelig naturlig molekyl—i dette tilfellet kavalaktoner-kan de klone disse genene, sette dem inn i arter som gjær eller bakterier som vokser raskt og er lettere å vedlikeholde i en rekke miljøer enn en temperamentsfull tropisk plante, og deretter få disse mikrobielle biofabrikkene til å masseprodusere molekylet. For å oppnå dette måtte først Weng og Pluskal løse et komplisert puslespill: Hvordan produserer kava kavalaktoner? Det er ikke noe direkte kavalaktongen; komplekse metabolitter som kavalaktoner opprettes gjennom en rekke trinn ved hjelp av mellomliggende molekyler. Celler kan kombinere disse mellomprodukter, klipp ut deler av dem, og legg biter på dem for å lage det endelige molekylet-hvorav de fleste er gjort ved hjelp av enzymer, cellens kjemiske reaksjonskatalysatorer. Så, for å gjenskape kavalaktonproduksjon, måtte forskerne identifisere de komplette baneanleggene som brukes til å syntetisere det, inkludert gener for alle de involverte enzymene.

forskerne kunne ikke bruke genetisk sekvensering eller vanlige genredigeringsverktøy for å identifisere enzymer fordi kava-genomet er stort; det har 130 kromosomer sammenlignet med menneskers 46. I stedet vendte de seg til andre metoder, inkludert sekvensering av plantens RNA for å undersøke gener uttrykt, for å identifisere biosyntetisk vei for kavalaktoner.

«Det er som om du har mange Lego-stykker spredt på gulvet, Sier Weng,» og Du må finne de som passer sammen for å bygge et bestemt objekt.»

Weng og Pluskal hadde et godt utgangspunkt: de innså at kavalaktoner hadde en lignende strukturell ryggrad til chalcones, metabolitter som deles av alle landplanter. De antydet at et av enzymene som er involvert i å produsere kavalaktoner, må være relatert til det som er involvert i å produsere kalkoner, chalkonsyntase (CHS). De så etter gener som koder for lignende enzymer og fant to syntaser som hadde utviklet seg fra et eldre CHS-gen. Disse syntasene, som de kaller PmSPS1 og PmSPS2, bidrar til å forme de grunnleggende stillasene til kavalaktonmolekyler.

Så, med litt prøving og feiling, Fant Pluskal genene som koder for en rekke skreddersyenzymer som modifiserer og legger til molekylernes ryggrad for å skape en rekke spesifikke kavalaktoner. For å teste at Han hadde identifisert de riktige enzymene, Klonet Pluskal de relevante genene og bekreftet at enzymene de koder produserte de forventede molekylene. Teamet identifiserte også viktige enzymer i den biosyntetiske banen til flavokavains, molekyler i kava som er strukturelt relatert til kavalaktoner og har vist seg i studier å ha anti-kreft egenskaper.

når forskerne hadde sine kavalaktongener, satte de dem inn i bakterier og gjær for å begynne å produsere molekylene. Dette beviset på konseptet for deres mikrobielle biofabrikkmodell viste at bruk av mikrober kunne gi et mer effektivt og skalerbart produksjonskjøretøy for kavalaktoner. Modellen kan også tillate produksjon av nye molekyler konstruert ved å kombinere kava-gener med andre gener, slik at mikroberene vil produsere modifiserte kavalaktoner. Dette kan tillate forskere å optimalisere molekylene for effektivitet og sikkerhet som terapi.

» det er et svært presserende behov for terapier for å behandle psykiske lidelser, og for sikrere smertelindringsalternativer, » Sier Weng. «Vår modell eliminerer flere av flaskehalsene i stoffutvikling fra planter ved å øke tilgangen til naturlige medisinske molekyler og tillate etablering av nye til naturmolekyler.»

Kava er bare en av mange planter rundt om i verden som inneholder unike molekyler som kan ha stor medisinsk verdi. Weng og Pluskal håper at deres modell-kombinere bruken av narkotikafunn fra planter som brukes i tradisjonell medisin, genomikk, syntetisk biologi og mikrobiell masseproduksjon—vil bli brukt til å bedre utnytte det store mangfoldet av plantekjemi rundt om i verden for å hjelpe pasienter i nød.