用酵母菌釀造大麻

繼三年前有人發表了如何用酵母菌釀造嗎啡後，這個月 UC Bekeley 的研究團隊發表了他們用酵母菌釀造大麻的成果在 Nature。記得那時候才還在臉書上開玩笑說，應該要研究如何用酵母菌釀造大麻的，想來會很有錢途，沒想到真有人做惹。

舊文：用酵母菌釀造嗎啡

看了整篇研究後，覺得基改酵母讓它生產大麻比生產嗎啡簡單啊，主要是 CBD (cannabidiol) 和 THC (Δ9-tetrahydrocannabinol) 的產生過程還滿直接的，不像嗎啡中的中介物 S-reticuline 很難產出，另外就是這篇研究是用 Cas9 來改造酵母菌基因，應該也比原本的用 shuttle vector 去改要容易點。


Figure / Pathway of CBD and THC biosynthesis (modified from X Luo et al, Nature 2019)

上面是大麻的 THC 和 CBD 生產的主要路徑，這兩個物質大家應該滿熟悉的吧？THC 是讓人嗨的，CBD 則是有鎮靜止痛的效果。大麻裡面除了這兩個物質外，還有 CBN (cannabinol), CBG (cannabigerol) 和 CBC (cannabichromene)。

上面幾個途徑的各個反應如下：（後面 highlight 的部分是所需酵素）

1. Sugar (galactose) acetyl-CoA --> malonyl-CoA
2. Sugar (galactose) --> acetyl-CoA --> hexanoyl-CoA (hexanoly-CoA pathway)
3. Hexanoic acid --> hexanoyl-CoA [CsAAE1]
4. Hexanoyl-CoA + 3x malonyl-CoA --> olivetolic acid (OA) [CsTKS, CsOAC]
5. OA --> cannabigerolic acid (CBGA) [CsPT4]
6. CBGA --> THCA (Δ9-tetrahydrocannabinolic acid), CBDA (cannabidiolic acid) [THCAS, CBDAS]

Pathway #2 他們稱為 hexanoyl-CoA pathway，從 acetyl-CoA 轉化成 hexanoyl-CoA 的過程需要的酵素為：RebktB, CnpaaH1, Cacrt, Tdter

可以看出 CBGA 在裡面扮演重要的 intermediate，它除了是 THC 和 CBD 的 precursor 之外，也是 CBG 和 CBC 的，加入 CBCAS 之後就可以轉化成 CBCA，而以上這幾個酸性物質加熱後就會變成中性有活性的 CBG, THC, CBD 和 CBC。

CBGA --> CBG
THCA --> THC
CBDA --> CBD
CBCA --> CBC

以上這些物質，在大麻裡面是以酸性的形式存在，直到人們點煙或加熱的時候，才會轉化成 THC 或 CBD，這個過程也就是 decarboxylation。CBG 不具有讓人嗨的效果，近來被認為可以抗發炎，但是它在大麻裡面的量比較少，因為大多很快就被轉化成 THCA 和 CBDA。另外，THC 曝露在 UV light 和氧氣之下會慢慢變成 CBN，它跟 THC 同樣會讓人嗨，但是效果比較弱。

另外，雖然整個製造過程看起來滿簡單的，但是研究了一下發現，破酵母細胞萃取 THC 或 CBD 的這個步驟的成本滿高的，因為酵母菌的細胞壁(cell wall)很難破，這篇研究裡用的是 zymolase，而且用量是 2U/OD。這篇研究裡 THC 的產量是 8 mg/L，但是根據我的經驗酵母菌在搖了兩天後的 OD600 就可以超過 10，一公升的話 OD 就是 10,000，也就是說要用 20,000U 的酵素。這個酵素我查到的價錢是 2000U 要價加幣 $150，也就是說每 8 mg 就要花掉至少 CAD$1500，嘖嘖嘖~ 當然也有較便宜的破細胞方法，像是用 glass beads 或是 french press 這些用 mechanical force 的去破細胞。所以啊，成本還是要算仔細呢。XD



News articles:

UC Berkeley / Yeast produce low-cost, high-quality cannabinoids (2019)

Nature / Scientists brew cannabis using hacked beer yeast (2019)

Harvard Health Publishing / Cannabidiol (CBD) — what we know and what we don’t (2018)


Publications:

X Luo et al, Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast. Nature (2019)

S Deiana, Chapter 99 - Potential Medical Uses of Cannabigerol: A Brief Overview. Handbook of Cannabis and Related Pathologies (2017)