Hoe de kava-plant zijn pijnstillende en anti-angstmoleculen produceert

Kava (Piper methysticum) is een plant afkomstig uit de Polynesische eilanden die mensen daar hebben gebruikt in een kalmerende drank met dezelfde naam in religieuze en culturele rituelen voor duizenden jaren. De traditie van het cultiveren en drinken van kava tijdens belangrijke bijeenkomsten is een culturele hoeksteen die door een groot deel van Polynesië wordt gedeeld, hoewel de specifieke gebruiken—en de stammen van kava—van eiland tot eiland verschillen. De afgelopen decennia heeft kava buiten de eilanden belangstelling gekregen voor zijn pijnstillende en anti-angst eigenschappen als een potentieel aantrekkelijk alternatief voor drugs zoals opioïden en benzodiazepines, omdat kavalactonen, de moleculen van medicinaal belang in kava, iets andere mechanismen gebruiken om het centrale zenuwstelsel te beïnvloeden en niet verslavend lijken te zijn. Kava bars zijn ontstaan rond de Verenigde Staten, kava supplementen en thee langs de planken bij winkels zoals Walmart, en sport cijfers die behoefte hebben aan veilige pijnverlichting zijn touting de voordelen.

dit groeiende gebruik suggereert dat er een grote markt zou zijn voor op kavalactone gebaseerde medische therapieën, maar er zijn wegblokkades voor ontwikkeling: kava is moeilijk te kweken, vooral buiten de tropen. Kava duurt jaren om volwassen te worden en, als gedomesticeerde soort die geen zaden meer produceert, kan het alleen worden vermeerderd met stekken. Dit kan het voor onderzoekers moeilijk maken om een voldoende grote hoeveelheid kavalactonen te krijgen voor onderzoeken of klinische proeven.Onderzoek van het Whitehead Institute member en mit associate professor of biology Jing-Ke Weng en postdoc Tomáš Pluskal, gepubliceerd op 22 juli, beschrijft een manier om dat probleem op te lossen en kavalactonvarianten te creëren die niet in de natuur worden gevonden en die effectiever of veiliger kunnen zijn als therapeutiek.

” we combineren historische kennis van de geneeskrachtige eigenschappen van deze plant, vastgesteld door eeuwen van traditioneel gebruik, met moderne onderzoeksinstrumenten om mogelijk nieuwe geneesmiddelen te ontwikkelen, ” zegt Pluskal.Weng ‘ s lab heeft aangetoond dat als onderzoekers de genen achter een wenselijk natuurlijk molecuul—in dit geval kavalactonen—vinden, ze die genen kunnen klonen, ze kunnen invoegen in soorten zoals gist of bacteriën die snel groeien en gemakkelijker te onderhouden zijn in een verscheidenheid van omgevingen dan een temperamentvolle tropische plant, en dan deze microbiële biofabrieken het molecuul in Massa laten produceren. Om dit te bereiken moesten Weng en Pluskal eerst een ingewikkelde puzzel oplossen: hoe produceert kava kavalactonen? Er is geen direct kavalactone-gen; complexe metabolites zoals kavalactones worden gecreeerd door een reeks stappen gebruikend tussenmolecules. De cellen kunnen deze tussenpersonen combineren, delen van hen uitsnijden, en beetjes op hen toevoegen om het definitieve molecuul te creëren – waarvan de meeste met behulp van enzymen, chemische reactiekatalysatoren van cellen wordt gedaan. Om de productie van kavalacton na te bootsen, moesten de onderzoekers de volledige route identificeren die planten gebruiken om het te synthetiseren, inclusief de genen voor alle betrokken enzymen.

de onderzoekers konden geen gebruik maken van genetische sequencing of gemeenschappelijke gen editing tools om de enzymen te identificeren omdat het Kava genoom enorm is; het heeft 130 chromosomen in vergelijking met mensen 46. In plaats daarvan wendden zij zich tot andere methodes, met inbegrip van het rangschikken van RNA van de installatie om de uitgedrukte genen te onderzoeken, om de biosynthetische weg voor kavalactones te identificeren.

“het is alsof je veel Lego stukken op de vloer hebt liggen,” zegt Weng, “en je moet degene vinden die bij elkaar passen om een bepaald object te bouwen.”

Weng en Pluskal hadden een goed uitgangspunt: zij erkenden dat kavalactonen een vergelijkbare structurele ruggengraat hadden als chalcones, metabolieten die door alle landplanten worden gedeeld. Zij veronderstelden dat een van de enzymen betrokken bij de productie van kavalactonen moet worden gerelateerd aan degene betrokken bij de productie van chalcones, chalconesynthase (CHS). Ze zochten naar genen die coderen voor soortgelijke enzymen en vonden twee synthases die waren geëvolueerd uit een ouder CHS-gen. Deze synthases, die zij pmsps1 en PmSPS2 noemen, helpen om de basissteigers van kavalactonenmoleculen te vormen.

vervolgens vond Pluskal, met enige trial and error, de genen die coderen voor een aantal van de op maat gemaakte enzymen die de ruggengraat van de moleculen wijzigen en aanvullen om een verscheidenheid aan specifieke kavalactonen te creëren. Om te testen of hij de juiste enzymen had geïdentificeerd, kloonde Pluskal de relevante genen en bevestigde dat de enzymen die ze coderen de verwachte moleculen produceerden. Het team identificeerde ook belangrijke enzymen in de biosynthetische route van flavokavains, moleculen in kava die structureel verwant zijn aan kavalactonen en waarvan in studies is aangetoond dat ze anti-kanker eigenschappen hebben.

zodra de onderzoekers hun kavalactongenen hadden, stopten ze deze in bacteriën en gist om de moleculen te beginnen produceren. Dit proof of concept voor hun microbiële bio-factory model toonde aan dat het gebruik van microben een efficiënter en schaalbaar productievoertuig voor kavalactones zou kunnen bieden. Het model kon ook voor de productie van nieuwe molecules toestaan die door kavagenen met andere genen te combineren worden gebouwd zodat de microben gewijzigde kavalactones zouden produceren. Dit zou onderzoekers kunnen toestaan om de molecules voor efficiency en veiligheid als therapeutiek te optimaliseren.

” er is een zeer dringende behoefte aan therapieën om psychische stoornissen te behandelen, en voor veiligere pijnverlichting opties, ” Weng zegt. “Ons model elimineert een aantal van de knelpunten in de ontwikkeling van geneesmiddelen uit planten door het vergroten van de toegang tot natuurlijke medicinale moleculen en het mogelijk maken van new-to-nature moleculen.”

Kava is slechts een van de vele planten over de hele wereld die unieke moleculen bevat die van grote medicinale waarde kunnen zijn. Weng en Pluskal hopen dat hun model—het combineren van het gebruik van drug discovery uit planten gebruikt in de traditionele geneeskunde, genomica, synthetische biologie, en microbiële massaproductie—zal worden gebruikt om beter gebruik te maken van de grote diversiteit van plantenchemie over de hele wereld om patiënten in nood te helpen.