Hur kava-växten producerar sina smärtstillande och ångestdämpande molekyler

Kava (Piper methysticum) är en växt som är infödd till de polynesiska öarna som människor där har använt i en lugnande drink med samma namn i religiösa och kulturella ritualer i tusentals år. Traditionen att odla kava och dricka den under viktiga sammankomster är en kulturell hörnsten som delas i stora delar av Polynesien, även om de specifika seder—och stammarna i kava—varierar från ö till Ö. Under de senaste decennierna har kava fått intresse utanför öarna för sin smärtlindring och ångestdämpande egenskaper som ett potentiellt attraktivt alternativ till läkemedel som opioider och bensodiazepiner eftersom kavalaktoner, molekylerna av medicinskt intresse i kava, använder lite olika mekanismer för att påverka centrala nervsystemet och verkar vara icke-beroendeframkallande. Kava barer har sprungit upp runt USA, kava kosttillskott och te foder hyllorna i butiker som Walmart, och sport siffror i behov av säker smärtlindring pracka dess fördelar.

denna växande användning tyder på att det skulle finnas en stor marknad för kavalaktonbaserade medicinska terapier, men det finns vägar till utveckling: för en är kava svår att odla, särskilt utanför troperna. Kava tar år att nå mognad och som en domesticerad art som inte längre producerar frön kan den bara förökas med sticklingar. Detta kan göra det svårt för forskare att få en tillräckligt stor mängd kavalaktoner för undersökningar eller kliniska prövningar.

nu beskriver forskning från Whitehead Institute-medlem och mit-docent i biologi Jing-Ke Weng och postdoc Tom Sackal, publicerad online i Nature plants Juli 22, ett sätt att lösa det problemet, liksom att skapa kavalaktonvarianter som inte finns i naturen som kan vara effektivare eller säkrare som terapi.

”vi kombinerar historisk kunskap om denna växts medicinska egenskaper, etablerade genom århundraden av traditionell användning, med moderna forskningsverktyg för att potentiellt utveckla nya droger”, säger Pluskal.

Wengs laboratorium har visat att om forskare räknar ut generna bakom en önskvärd naturlig molekyl-i detta fall kavalaktoner-kan de klona dessa gener, infoga dem i arter som jäst eller bakterier som växer snabbt och är lättare att underhålla i en mängd olika miljöer än en temperamentsfull tropisk växt, och sedan få dessa mikrobiella biofabriker att massproducera molekylen. För att uppnå detta måste först Weng och Pluskal lösa ett komplicerat pussel: hur producerar kava kavalaktoner? Det finns ingen direkt kavalaktongen; komplexa metaboliter som kavalaktoner skapas genom en serie steg med hjälp av mellanliggande molekyler. Celler kan kombinera dessa mellanprodukter, snipa ut delar av dem och lägga bitar på dem för att skapa den slutliga molekylen—varav de flesta görs med hjälp av enzymer, cellernas kemiska reaktionskatalysatorer. Så, för att återskapa kavalaktonproduktion, forskarna var tvungna att identifiera den kompletta vägen växter använder för att syntetisera den, inklusive generna för alla involverade enzymer.

forskarna kunde inte använda genetisk sekvensering eller vanliga genredigeringsverktyg för att identifiera enzymerna eftersom kava-genomet är enormt; det har 130 kromosomer jämfört med människor’ 46. Istället vände de sig till andra metoder, inklusive sekvensering av växtens RNA för att undersöka de uttryckta generna, för att identifiera den biosyntetiska vägen för kavalaktoner.

”det är som om du har många Lego-bitar utspridda på golvet,” säger Weng, ”och du måste hitta de som passar ihop för att bygga ett visst objekt.”

Weng och Pluskal hade en bra utgångspunkt: de insåg att kavalaktoner hade en liknande strukturell ryggrad som chalcones, metaboliter delade av alla landväxter. De antog att ett av enzymerna som är involverade i att producera kavalaktoner måste vara relaterat till det som är involverat i att producera chalkoner, kalkonsyntas (CHS). De letade efter gener som kodade liknande enzymer och hittade två syntaser som hade utvecklats från en äldre CHS-gen. Dessa syntaser, som de kallar PmSPS1 och PmSPS2, hjälper till att forma den grundläggande byggnadsställningen av kavalaktonmolekyler.

sedan, med några försök och fel, fann Pluskal generna som kodar för ett antal skräddarsydda enzymer som modifierar och lägger till molekylernas ryggrad för att skapa en mängd specifika kavalaktoner. För att testa att han hade identifierat rätt enzymer klonade Pluskal de relevanta generna och bekräftade att enzymerna de kodar producerade de förväntade molekylerna. Teamet identifierade också nyckelenzymer i den biosyntetiska vägen för flavokavains, molekyler i kava som är strukturellt relaterade till kavalaktoner och har visats i studier ha anti-cancer egenskaper.

när forskarna hade sina kavalaktongener, satte de in dem i bakterier och jäst för att börja producera molekylerna. Detta bevis på konceptet för deras mikrobiella biofabriksmodell visade att användning av mikrober kunde ge ett mer effektivt och skalbart produktionsfordon för kavalaktoner. Modellen kan också möjliggöra produktion av nya molekyler konstruerade genom att kombinera kava-gener med andra gener så att mikroberna skulle producera modifierade kavalaktoner. Detta kan göra det möjligt för forskare att optimera molekylerna för effektivitet och säkerhet som terapi.

”det finns ett mycket brådskande behov av terapier för att behandla psykiska störningar och för säkrare smärtlindringsalternativ”, säger Weng. ”Vår modell eliminerar flera av flaskhalsarna i läkemedelsutveckling från växter genom att öka tillgången till naturliga medicinska molekyler och möjliggöra skapandet av nya naturmolekyler.”

Kava är bara en av många växter runt om i världen som innehåller unika molekyler som kan vara av stort medicinskt värde. Weng och Pluskal hoppas att deras modell-som kombinerar användningen av läkemedelsupptäckt från växter som används i traditionell medicin, genomik, syntetisk biologi och mikrobiell massproduktion—kommer att användas för att bättre utnyttja den stora mångfalden av växtkemi runt om i världen för att hjälpa patienter i nöd.