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科学

极化超级细胞在大麻毛状体中产生专门的代谢物

研究人员确定了大麻细胞用于制造大麻素的高效机制

生物学家首次定义了大麻细胞用于制造大麻素 (THC/CBD) 的高产“技巧”。 尽管许多生物技术公司目前正试图在植物外、酵母或细胞培养物中制造 THC/CBD,但仍不清楚植物是如何自然地做到这一点的。

几个世纪以来,人类种植大麻是为了获得其特殊代谢物(主要是大麻素和萜类化合物)的消耗所产生的药理特性。 今天,大麻是一个价值数十亿美元的产业,其存在依赖于微小细胞簇的生物活性,称为腺毛,主要存在于花朵上。

大麻腺毛在花成熟期间改变形态和代谢物含量

大麻素对大麻细胞有毒,目前尚不清楚大麻的细胞如何 毛状体可以产生和分泌大量 亲脂性代谢物。 为了解决这一知识差距,我们使用超快速冷冻固定、定量电子显微镜和大麻素途径酶的金标记研究了大麻腺毛。

研究表明,代谢活跃的大麻细胞形成一个“超级细胞”,在细胞壁上有广泛的细胞质桥和 极性分布 与分泌代谢物的顶端表面相邻的细胞器。 非光合质体的预测代谢作用得到质体中不寻常的膜网络和质体基质中大麻素/萜烯途径起始位置的支持。 丰富的膜接触位点将质体的准晶核连接到质体包膜,将质体连接到内质网 (ER),将 ER 连接到质膜。

由四氢大麻酚酸合酶 (THCAS) 催化的大麻素生物合成的最后一步位于细胞表面壁,与细胞外储存腔相对。 我们提出了一种大麻细胞如何维持大量代谢物生产的新模型,强调了膜接触位点和细胞外 THCA 生物合成的关键作用。 这种新模型可能会为酵母或细胞培养物中大麻素生产的合成生物学方法提供信息。

“这确实有助于我们了解大麻毛状体细胞如何产生大量四氢大麻酚 (THC) 和萜烯——大量对植物细胞有毒的化合物——而不会毒害自己。”英国大学植物学家 Sam Livingston 博士说领导这项研究的哥伦比亚。

几十年来,人类种植大麻是为了获得其特殊代谢物(主要是 CBD 和萜类化合物)的消耗所产生的药理特性。 今天,价值 20 亿美元的全球大麻市场的生产在很大程度上依赖于主要存在于植物花朵上的称为腺毛的微小细胞团块的生物活性。

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该研究发表于 当代生物学,揭示了 THC 在大麻毛状体中产生和运输的微环境,并阐明了 THC 或 CBD 在细胞内制造途径中的几个关键点。

Livingston 博士和合著者 Lacey Samuels 博士使用快速冷冻大麻腺毛来原位固定植物细胞结构和代谢物。 因此,他们能够使用电子显微镜研究大麻的腺毛,揭示了纳米级的细胞结构,表明大麻的代谢活跃细胞形成了一个“超级细胞”,充当了一个微小的代谢生物工厂。

到目前为止,合成生物学方法一直专注于优化负责制造 THC/CBD 的酶——比如建立一个拥有最高效机器的工厂,以生产尽可能多的产品。 然而,这些方法还没有开发出一种有效的方法来将中间物质从一种酶转移到另一种酶,或从细胞内转移到可以收集最终产物的细胞外。 这项研究有助于确定大麻用来创建从原材料到最终产品的有效管道而不会积累毒素或废物的亚细胞“运输路线”。

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“40 多年来,我们对大麻细胞的所有想法都是不准确的,因为它是基于过时的电子显微镜,”UBC 的植物细胞生物学家 Samuels 博士说。 “这项工作定义了大麻细胞如何制造它们的产品。 这是多年后的范式转变,产生了大麻生产的新愿景。 这项工作一直很困难,部分原因是法律禁止,也因为没有公布大麻基因转化协议。 »

今天我们知道:

  • 腺细胞在 THCA 的产生和分泌过程中形成极化的合胞体。
  • GPPS 定位于含有明显膜融合的质体中。
  • THCAS 仅定位于毛状体的细胞外表面。
  • 质体、ER 和 PM 之间的膜接触是新交通模式的起源。

这种新模型可能会为酵母中大麻素生产的合成生物学方法提供信息,这种方法通常用于生物技术。 没有这些“黑客”,他们将永远无法实现高效生产。


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