Jak roślina kava produkuje cząsteczki przeciwbólowe i przeciwlękowe

Kava (Piper methysticum) jest rośliną pochodzącą z wysp polinezyjskich, którą ludzie używali w uspokajającym napoju o tej samej nazwie w rytuałach religijnych i kulturowych od tysięcy lat. Tradycja uprawy kawy i picia jej podczas ważnych spotkań jest podstawą kulturową dzieloną przez większość Polinezji, chociaż specyficzne zwyczaje—i odmiany kava—różnią się od wyspy do Wyspy. W ciągu ostatnich kilku dekad Kava zyskuje zainteresowanie poza Wyspami ze względu na swoje właściwości przeciwbólowe i przeciwlękowe jako potencjalnie atrakcyjną alternatywę dla leków, takich jak opioidy i benzodiazepiny, ponieważ kavalactony, cząsteczki lecznicze interesujące w kava, wykorzystują nieco inne mechanizmy wpływające na ośrodkowy układ nerwowy i wydają się nie uzależniać. Bary Kava powstały w całych Stanach Zjednoczonych, suplementy i herbaty kava podszewka półki w sklepach takich jak Walmart, a sportowcy potrzebujący bezpiecznej ulgi w bólu reklamują jego korzyści.

to rosnące wykorzystanie sugeruje, że istnieje spory rynek terapii medycznych opartych na kavalactone, ale istnieją przeszkody w rozwoju: po pierwsze, kava jest trudna do uprawy, zwłaszcza poza tropikami. Kava potrzebuje lat, aby osiągnąć dojrzałość i jako gatunek udomowiony, który nie produkuje już nasion, może być rozmnażany tylko przy użyciu sadzonek. Może to utrudnić naukowcom uzyskanie wystarczającej ilości kavalactonów do badań lub badań klinicznych.

teraz badania z Whitehead Institute i mit associate professor of biology Jing-Ke Weng i postdoc Tomáš Pluskal, opublikowane online w Nature Plants 22 lipca, opisują sposób rozwiązania tego problemu, a także stworzenie wariantów kavalactone, które nie występują w przyrodzie, które mogą być bardziej skuteczne lub bezpieczniejsze jako leki.

„łączymy historyczną wiedzę o właściwościach leczniczych tej rośliny, ustanowioną przez wieki tradycyjnego użytkowania, z nowoczesnymi narzędziami badawczymi w celu potencjalnie opracowania nowych leków”, mówi Pluskal.

laboratorium Wenga wykazało, że jeśli naukowcy odkryją geny kryjące się za pożądaną naturalną cząsteczką-w tym przypadku kavalactones—mogą sklonować te geny, wstawić je do gatunków takich jak drożdże lub bakterie, które szybko rosną i są łatwiejsze do utrzymania w różnych środowiskach niż temperamentna roślina tropikalna, a następnie zmusić te mikrobiologiczne bio-fabryki do masowej produkcji cząsteczki. Aby to osiągnąć, najpierw Weng i Pluskal musieli rozwiązać skomplikowaną zagadkę: w jaki sposób Kava produkuje kavalactony? Nie ma bezpośredniego genu kavalactone; złożone metabolity, takie jak kavalactones są tworzone przez szereg etapów przy użyciu cząsteczek pośrednich. Komórki mogą łączyć te półprodukty, wycinać ich części i dodawać do nich fragmenty, aby stworzyć ostateczną cząsteczkę-większość z nich odbywa się za pomocą enzymów, katalizatorów reakcji chemicznych komórek. Tak więc, aby odtworzyć produkcję kavalactone, naukowcy musieli zidentyfikować kompletny Szlak wykorzystywany przez rośliny do jego syntezy, w tym geny dla wszystkich zaangażowanych enzymów.

naukowcy nie mogli użyć sekwencjonowania genetycznego lub wspólnych narzędzi do edycji genów w celu identyfikacji enzymów, ponieważ Genom kava jest ogromny; ma 130 chromosomów w porównaniu do ludzkiego 46. Zamiast tego zwrócili się do innych metod, w tym do sekwencjonowania RNA rośliny w celu zbadania ekspresji genów, w celu identyfikacji szlaku biosyntetycznego dla kavalactonów.

„to tak, jakbyś miał wiele klocków LEGO rozrzuconych na podłodze”, mówi Weng ” i musisz znaleźć te, które pasują do siebie, aby zbudować określony przedmiot.”

Weng i Pluskal mieli dobry punkt wyjścia: uznali, że kavalactony mają podobny szkielet strukturalny do chalkonów, metabolitów wspólnych dla wszystkich roślin lądowych. Wysunęli hipotezę, że jeden z enzymów biorących udział w wytwarzaniu kavalaktonów musi być powiązany z enzymem biorącym udział w wytwarzaniu chalkonów, syntazą chalkonową (CHS). Szukali genów kodujących podobne enzymy i znaleźli dwie syntazy, które wyewoluowały ze starszego genu CHS. Te syntazy, które nazywają PmSPS1 i PmSPS2, pomagają kształtować podstawowe rusztowanie cząsteczek kavalactonów.

następnie, metodą prób i błędów, Pluskal odkrył geny kodujące wiele enzymów krawieckich, które modyfikują i dodają do szkieletu cząsteczek, tworząc różne specyficzne kavalactony. Aby sprawdzić, czy zidentyfikował odpowiednie enzymy, Pluskal sklonował odpowiednie geny i potwierdził, że enzymy, które kodują, wytwarzają oczekiwane cząsteczki. Zespół zidentyfikował również kluczowe enzymy w szlaku biosyntetycznym flawokawainy, cząsteczki w kava, które są strukturalnie spokrewnione z kavalaktonami i wykazano w badaniach, że mają właściwości przeciwnowotworowe.

gdy naukowcy mieli swoje geny kavalactone, wprowadzili je do bakterii i drożdży, aby rozpocząć produkcję cząsteczek. Ten proof of concept dla ich mikrobiologicznego modelu bio-factory wykazał, że użycie drobnoustrojów może zapewnić bardziej wydajny i skalowalny pojazd produkcyjny dla kavalactones. Model może również pozwolić na produkcję nowych cząsteczek zaprojektowanych przez połączenie genów kava z innymi genami, aby mikroby produkowały zmodyfikowane kavalactony. Może to pozwolić naukowcom na optymalizację cząsteczek pod kątem wydajności i bezpieczeństwa jako środków terapeutycznych.

„istnieje bardzo pilna potrzeba terapii w leczeniu zaburzeń psychicznych i bezpieczniejszych opcji łagodzenia bólu”, mówi Weng. „Nasz model eliminuje kilka wąskich gardeł w rozwoju leków z roślin poprzez zwiększenie dostępu do naturalnych cząsteczek leczniczych i umożliwienie tworzenia nowych cząsteczek natury.”

Kava jest tylko jedną z wielu roślin na całym świecie zawierających unikalne cząsteczki, które mogą mieć wielką wartość leczniczą. Weng i Pluskal mają nadzieję, że ich model—łączący wykorzystanie odkrywania leków z roślin stosowanych w tradycyjnej medycynie, genomice, biologii syntetycznej i masowej produkcji drobnoustrojów—zostanie wykorzystany do lepszego wykorzystania wielkiej różnorodności chemii roślinnej na całym świecie, aby pomóc potrzebującym pacjentom.