Bioteknologi Ganja

Modifikasi ganja genetik dapat memungkinkan produksi cannabinoid skala industri yang memiliki potensi farmasi.

Ganja adalah satu-satunya tanaman yang diketahui memproduksi tetrahydrocannabinol (THC), tetapi tetap merupakan wadah yang tidak sempurna untuk memproduksi bahan kimia dalam skala industri. Zat psikoaktif biasanya hanya ditemukan dalam pertumbuhan kecil dari tanaman yang dikenal sebagai trikoma, yang berarti bahwa batang, batang dan daunnya adalah biomassa yang terbuang.

Rekayasa genetika dapat memberikan alternatif yang lebih efisien. Beberapa peneliti dan perusahaan bioteknologi bercita-cita untuk mengganti tanaman ganja dengan mikroorganisme yang telah ditingkatkan secara genetik untuk memuntahkan THC, senyawa non-psikoaktif cannabidiol (CBD) dan banyak cannabinoid lainnya yang menarik di bidang farmasi. Yang lain bertujuan untuk memodifikasi sintesis kimia di tanaman ganja dengan mengubah sel-selnya secara genetik untuk membuat molekul yang diinginkan dari pucuk hingga ujung, sehingga meningkatkan hasil.

Either way, tujuannya sama: untuk menghasilkan cannabinoids lebih murah, efisien dan andal daripada dengan budidaya tanaman konvensional di rumah kaca atau ladang petani. Manfaat lebih lanjut dari sintesis mikroba termasuk kemampuan untuk memproduksi secara massal cannabinoid langka yang biasanya ada pada tanaman hanya dalam jumlah sedikit — atau bahkan molekul yang tidak ditemukan di alam. Tanaman transgenik juga dapat direkayasa untuk ketahanan yang unggul terhadap hama dan tekanan lingkungan.

Kepentingan komersial dalam strategi ini meningkat. Pada tahun 2018, misalnya, Canopy Growth Corporation di Smiths Falls, Kanada — perusahaan ganja legal terbesar di dunia — membayar lebih dari US$300 juta tunai dan saham untuk mengakuisisi Ebbu, sebuah perusahaan kecil di Evergreen, Colorado, yang telah mengembangkannya platform paling awal untuk memanipulasi genom ganja dengan sistem pengeditan gen CRISPR–Cas9. Dan pada bulan April, Zenabis, produsen ganja yang berbasis di Vancouver, Kanada, setuju untuk membeli 36 ton CBD buatan bakteri yang hampir murni dari perusahaan ganja medis Farmako di Frankfurt, Jerman — kesepakatan pertama dari jenisnya untuk cannabinoid biosintetik.

David Kideckel, seorang analis ganja dengan perusahaan jasa keuangan AltaCorp Capital di Toronto, Kanada, menggambarkan rekayasa genetika sebagai “pengganggu” yang menjanjikan untuk membawa praktik pertanian berusia berabad-abad ke era bioteknologi, dengan riak yang dihasilkan dirasakan di seluruh ganja sektor di seluruh dunia. Ketika datang untuk memproduksi ekstrak ganja, tanaman dapat digantikan oleh mikroba, dan lebih banyak kanabinoid dapat tersedia untuk digunakan dalam produk medis dan rekreasi.

Jika itu terjadi, daun ganja yang ikonik tidak akan lagi secara akurat mewakili dari mana bahan aktifnya berasal. Sebaliknya, bioreaktor stainless steel mungkin lebih tepat.

Memasak cannabinoids

Bagian dari daya tarik membolos rumah kaca untuk bioreaktor bermuara pada biaya. Saat ini, 1 kilogram CBD berkualitas tinggi yang diekstraksi dari tanaman dijual dengan harga grosir lebih dari $5.000. Kesepakatan pada tahun 2018 antara Ginkgo Bioworks, sebuah perusahaan biologi sintetis di Boston, Massachusetts, dan Cronos Group, produsen ganja yang berbasis di Toronto, menguraikan rencana untuk memproduksi CBD murni dan kanabinoid lainnya dengan harga kurang dari $1.000 per kg ragi.

Biomanufaktur juga menawarkan tingkat konsistensi yang tidak mungkin untuk ditiru pada tanaman, yang, seperti kebanyakan komoditas pertanian, tunduk pada cuaca, hama, dan ketidakpastian lingkungan lainnya. Produksi berbasis laboratorium juga lebih baik bagi lingkungan karena lebih sedikit energi yang dibutuhkan untuk menjalankan bioreaktor daripada menyalakan lampu tumbuh dan kipas ventilasi dari operasi penanaman ganja dalam ruangan. Polusi air dan perusakan lahan yang terkait dengan budidaya ganja di luar ruangan juga dapat dihindari.

Mungkin keuntungan terbesar dari memasak cannabinoids dalam fermentor, bagaimanapun, adalah kemampuan untuk menyeduh cannabinoids yang kurang dikenal dalam jumlah berlebihan yang biasanya hanya ditemukan dalam jumlah kecil di tanaman ganja.

“Orang-orang begitu fokus pada dua besar – THC dan CBD – sehingga kami lupa bahwa ada senyawa lain yang sangat berguna di pabrik,” kata Tony Farina, kepala petugas ilmiah di perusahaan biologi sintetis Librede di Carlsbad, California. . “Itulah arah di mana kita harus benar-benar menggunakan platform biosintesis ini.”

Cronos telah memilih beberapa molekul yang menarik. Ini termasuk cannabichromene, cannabinoid langka yang dianggap memiliki sifat anti-inflamasi, dan cannabigerol (CBG) – prekursor kimia untuk THC dan CBD dengan potensi untuk melindungi tanaman ganja dari molekul penyebab kerusakan di dalam sel. Tinggi dalam daftar perusahaan juga merupakan varian penekan nafsu makan dari THC yang disebut tetrahydrocannabivarin (THCV). Cannabinoid ini memiliki potensi medis pada orang-orang yang terpengaruh oleh gangguan makan berlebihan yang kompulsif, dan THCV dapat menarik pengguna rekreasi ganja yang menikmati efek memabukkan obat tetapi lebih suka menghindari sifat-sifatnya yang memicu rasa lapar.

“Ini menawarkan efek euforia yang sama seperti THC, tetapi tanpa kudapan,” kata kepala eksekutif Cronos, Mike Gorenstein.

Setidaknya 18 perusahaan berlomba untuk memproduksi cannabinoid dalam ragi, bakteri, atau ganggang. Meskipun setiap pemain industri memiliki pendekatan kepemilikan, semuanya merupakan variasi dari pedoman dasar yang dijelaskan awal tahun ini oleh ahli biologi sintetik Jay Keasling di University of California, Berkeley ( X. Luo et al. Nature 567 , 123–126; 2019 ).

Keasling dan rekan-rekannya memperkenalkan serangkaian perubahan genetik ke dalam ragi Saccharomyces cerevisiae . Dengan mengutak-atik beberapa gen ragi, dan memasukkan yang lain dari bakteri dan tanaman ganja, tim menciptakan organisme yang mampu melakukan semua reaksi kimia yang terlibat dalam produksi cannabinoid. Memberi ragi gula sederhana menghasilkan jumlah rendah THC atau CBD tidak aktif, yang dapat diubah menjadi bentuk aktifnya dengan pemanasan.

Karena enzim dalam jalur cannabinoid “sedikit ceroboh”, seperti yang dikatakan Keasling, tim juga dapat memasukkan asam lemak yang akan dimasukkan ragi ke dalam cannabinoid. Ini melahirkan varian THC dan CBD yang tidak ditemukan di alam. “Kami menciptakan molekul yang sama sekali baru yang mungkin menjadi terapi yang lebih baik,” kata Keasling.

Namun, pada hasil yang dilaporkan, platform Keasling belum siap untuk prime time. Perbaikan dramatis dalam efisiensi ragi dan protokol fermentasi diperlukan agar pendekatan biosintetik menjadi kompetitif biaya dengan cannabinoid yang diekstraksi dari tumbuhan. Demetrix di Emeryville, California — perusahaan yang didirikan bersama oleh Keasling yang telah mendapatkan pendanaan lebih dari $60 juta, menjadikannya perusahaan rintisan dengan pembiayaan terbaik yang dikhususkan untuk produksi cannabinoid berbasis lab — sedang mengembangkan teknologi lebih lanjut. Kepala eksekutif Demetrix Jeff Ubersax mengatakan bahwa timnya telah meningkatkan hasil cannabinoid dengan “beberapa kali lipat”.

Tetapi banyak perusahaan membuat klaim serupa kepada Nature bahwa, tanpa data yang dapat diverifikasi, tidak dapat dibuktikan. Bahkan jika itu benar, mendapatkan sesuatu untuk bekerja di lab tidak menjamin kesuksesan di pabrik, kata Stephen Payne, kepala eksekutif Maku Technologies, sebuah perusahaan rintisan di Durham, Carolina Utara. Maku berfokus pada pembuatan cannabinoid alami yang langka dalam ragi. “Sepanjang waktu saya di industri biologi sintetik, saya telah melihat banyak hal bekerja dalam skala kecil yang tidak memiliki peluang untuk mencapai tingkat industri,” kata Payne.

Mengkatalisasi kesuksesan

Mengubah ragi menjadi pabrik cannabinoid mini menimbulkan tantangan yang cukup besar. Meskipun protokol Keasling melibatkan 16 modifikasi genetik, efisiensi prosedur secara keseluruhan menjadi satu hambatan.

Log-jam melibatkan enzim yang dibutuhkan untuk produksi CBG. Para peneliti mengkarakterisasi enzim, yang dikenal sebagai prenyltransferase, sekitar satu dekade lalu dalam jenis ganja medis. Awalnya, Keasling mencoba menggunakan enzim turunan kanabis dalam ragi, tetapi tidak berhasil: ragi tidak menghasilkan CBG.

Namun, setelah mengobrak-abrik database ekspresi gen, Keasling menemukan prenyltransferase alternatif yang dikodekan oleh varietas ganja lain. Dia memasukkan ini ke dalam ragi dan semua bagian jatuh ke tempatnya untuk membuat CBG dan turunannya.

Beberapa peneliti menghadapi tantangan enzimatik yang sama pada S. cerevisiae dan memilih untuk beralih ke organisme alternatif. Bioengineer Oliver Kayser dan rekan-rekannya di Technical University of Dortmund di Jerman beralih ke spesies ragi yang disebut Komagataella phaffii ( B. Zirpel et al. J. Biotechnol. 259 , 204–212; 2017 ).

Yang lain telah sepenuhnya menolak ragi. Vikramaditya Yadav, seorang insinyur kimia di University of British Columbia di Vancouver, telah pindah untuk bekerja di bakteri sebagai gantinya. Dia bekerja sama dengan perusahaan yang berbasis di Vancouver bernama InMed Pharmaceuticals untuk memproduksi cannabinoid di Escherichia coli .

Salah satu keuntungan bakteri dibandingkan sistem berbasis sel lainnya, kata Yadav, adalah mereka tidak menempelkan gula pada protein yang mereka hasilkan dengan cara yang sama seperti ragi dan organisme lain dengan nukleus tertutup. Perhiasan gula tersebut dapat membatasi aktivitas enzim yang penting untuk jalur cannabinoid — setidaknya di K. phaffii , seperti yang telah ditunjukkan oleh tim Kayser ( B. Zirpel et al. J. Biotechnol. 284 , 17–26; 2018 ) — yang menyebabkan hasil yang lebih rendah.

Bakteri juga secara alami mengeluarkan cannabinoid yang mereka hasilkan ke media sekitarnya, dari mana mereka dapat diekstraksi dengan mudah. Fenomena ini memberikan keuntungan kecepatan dan biaya karena memungkinkan manufaktur terus menerus, sedangkan organisme yang mempertahankan karunia kimianya di dalam sel harus ‘dipecahkan’ sebagai bagian dari sistem produksi batch. Ragi biasanya tidak mengeluarkan protein, tetapi para peneliti di Librede dan di tempat lain mengklaim telah merekayasa fungsi ini ke dalam organisme.

Tantangan lebih lanjut untuk menggunakan ragi atau E. coli adalah toksisitas cannabinoid. Molekul tersebut berevolusi pada tanaman sebagai mekanisme pertahanan terhadap serangga, mikroorganisme dan ancaman biologis lainnya. Ini berarti bahwa bahan kimia yang diinginkan para peneliti seringkali mematikan bagi organisme yang telah direkayasa untuk membuatnya.

Di Farmako, yang mengumumkan pada bulan Juli bahwa tim peneliti biosintesisnya akan dibentuk untuk membentuk perusahaan bioteknologi baru, oleh karena itu para ilmuwan beralih ke Zymomonas mobilis , bakteri yang digunakan dalam produksi tequila. Menurut ahli biologi molekuler dan salah satu pendiri Farmako Patrick Schmitt, yang diharapkan untuk memimpin perusahaan spin-out, mikroorganisme ini kebal terhadap toksisitas cannabinoid – meskipun tidak jelas mengapa. Sementara itu, para peneliti di Renew Biopharma di San Diego, California, bekerja di Chlamydomonas reinhardtii , alga hijau yang mengkotak-kotakkan sintesis cannabinoid dalam kloroplas. Dengan demikian, sisa sel terlindung dari molekul beracun.

Selain keuntungan biologis, produksi cannabinoid dalam organisme yang tidak konvensional seperti alga masuk akal secara bisnis karena pendekatannya bersifat eksklusif, kata Michael Mendez, pendiri dan kepala eksekutif di Renew Biopharma. “Kekayaan intelektual akan menguasai hari di ruang ini,” katanya. Dan sebagaimana Jeremy de Beer, seorang profesor hukum di Universitas Ottawa yang telah mempelajari paten ganja, menunjukkan: “Kami berada dalam semacam demam emas kekayaan intelektual.”

Kantor Paten dan Merek Dagang AS telah melindungi penggunaan ragi oleh Librede untuk mensintesis kanabinoid dari gula. Paten lain telah menyusul, termasuk yang diberikan kepada Teewinot Life Sciences di Tampa, Florida, untuk bioreaktor yang dirancang untuk menumbuhkan mikroorganisme penghasil cannabinoid. Pertempuran hukum mungkin tidak jauh di belakang (lihat ‘kesulitan paten Pot’). “Ini tidak akan mengejutkan sama sekali, karena pendapatan dari penjualan ganja meningkat, Anda melihat peningkatan serupa dalam penegakan terkait paten,” kata Stephen Hash, seorang pengacara paten di Baker Botts di Austin, Texas. “Ini akan berjalan beriringan.”

WTF itu Nano CBD? Kami bertanya kepada beberapa ahli.

Artinya, secara teoritis, seseorang yang mengonsumsi nano CBD dibandingkan CBD biasa dapat merasakan efeknya lebih cepat. Mary Clifton , MD berbasis di NYC yang mengkhususkan diri dalam penyakit dalam, juga merupakan ahli CBD dan ganja dan telah bekerja dengan pasien ganja medis selama lebih dari 20 tahun di Michigan dan Negara Bagian New York.

Clifton mengatakan bahwa dia masih ragu-ragu tentang nanoteknologi, tetapi dia mengatakan bahwa beberapa pasiennya antusias dengan formulasinya. “Sejumlah pasien saya bersumpah dengan penggunaan nanoteknologi untuk membuat CBD mereka lebih efektif,” katanya. Namun, dia mencatat bahwa data manusia pada nanoteknologi CBD hampir tidak ada, meskipun data seluler menunjukkan harapan.

Area perhatian lain terletak pada keamanan partikel nano — ketika partikel dibuat lebih kecil, mungkin ada konsekuensi yang tidak diinginkan. Peningkatan penggunaan nanoteknologi dalam biomedis, pertanian, dan produk konsumen telah menyebabkan munculnya nanotoksikologi, studi tentang bagaimana perangkat dan struktur nano yang direkayasa dapat mempengaruhi manusia . Dalam melaporkan penjelasan tentang anggur gulma untuk Weedmaps News, Josh Lizotte, pendiri dan CEO Rebel Coast, memperingatkan terhadap proses penggunaan nanoemulsi dalam anggur yang mengandung ganja karena “kami tidak tahu efek kesehatan dari nanoteknologi, dan seberapa kecil pengaruhnya terhadap kesehatan. partikel [berinteraksi dengan] tubuh.”

Ke nano atau tidak? 

Perusahaan CBD yang berbasis di Corona, California, CBD Living menggunakan nanoteknologi untuk produk andalan mereka, CBD Living Water, serta topikal, permen karet, dan lainnya. Chief Operating Officer Sean McDonald mengatakan bahwa perusahaan memutuskan untuk menggunakan nanoemulsi karena dilaporkan kemampuannya untuk meningkatkan bioavailabilitas dan mempercepat tingkat penyerapan. Dan pelanggan, katanya, merasa lebih baik, lebih cepat.

Sumber:

Nature.com

Weedmaps.com