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)

關於藥用大麻你不敢問的事

AAAS 年會其中一個討論是關於大麻，大麻是一種學名叫 Cannabis 的植物，它的莖、葉、花、子曬乾後被拿來吸食的東西叫 marijuana，大麻裡面令人興奮的化學物質有 THC (delta-9-tetrahydrocannabinol)、cannabidiol (CBD) 和其他類似作用的物質，皆屬於 cannabinoid。其實人體本來就會製造類似 THC 的天然大麻(endocannabinoid)，例如 anandamide，腦細胞的表面有其專門的接受器叫 cannabinoid receptors，它會被取這個名字是因為它是 cannabinoid 的目標物，會被其活化。

人類已經有五千年使用大麻的歷史了，在這次的年會中，有三位專家聚在一起討論醫生和科學家至目前對大麻的了解，又有什麼是需要繼續學習的呢？討論摘要已發文在 AAAS 網站上。

大麻是如何作用的？

我們的大腦已內建對大麻產生反應，因為體內本來就有類似大麻裡含有的成分，像是 THC 和 cannabinoid，英國 University of Aberdeen 的神經藥物學家 Roger Pertwee 解釋道，他從 1960 年代就開始研究大麻。不管是人體內自己製造的，還是因為吸或食用大麻而得到的 cannabinoid，都會和大腦裡內源性大麻素系統(endocannabinoid system)裡的大麻接收器產生反應。這個系統管理有食慾、心情、記憶和痛覺，科學家已發現 104 種 cannabinoid，但其中大多數在藥理上的作用仍需進一步探索。

有哪些是已知的藥用大麻？

大麻已經被用來促進食慾、治療噁心和反胃數十年了，尤其是用在接受化療的病人身上。由於它能成功的減輕多重硬化症(multiple sclerosis)的症狀，也因此由 GW Pharmaceuticals 藥廠研發出 Sativex，一種含有 THC 和 cannabidiol 的藥，cannabidiol 也是 cannabinoid 的一種，但它沒有興奮效果(physcoactive)。

大麻和其他大麻衍生出來的藥在治療緊張焦慮、憂鬱症、和重大創傷症候群(PTSD)、癲癇和神經痛上有顯著的效果，但很多證據都只是傳言，還需要臨床實驗確認。如果想做一個用藥指南，以用來依不同情況給與大麻的處方，「我們還缺少了點的實證」，加拿大 McGill University Health Center 的家庭醫師 Mark Ware 如此說道。

為什麼至目前沒有更多的臨床試驗

美國 USCD 的心理醫生，同時也是少數在做大麻臨床試驗的科學家 Igor Grant 說，至少在美國，大麻的臨床試驗是很難申請到經費的。藥廠通常都傾向研發可以申請專利的藥，而美國聯邦政府把大麻列為 Schedule I 的藥或者是沒有醫療效用的危險物質，這表示如果想要研究這種藥物，需要通過層層機關的許可，包括 Drug Enforcement Administration (DEA)。「在美國，這種有重重障礙和申請過程限制了一些不懂或不知道如何處理這些程序的研發者。」Grant 解釋道。

Grant 贊成把大麻給列為 Schedule III 的藥品，認可它為醫療藥品，且能減少 Schedule I & II 藥物的濫用。（註）

大麻的安全疑慮是什麼？

Grant 說，「在成人身上並沒有證據顯示有長期損害的影響」，有些認為大麻會增加精神分裂症(schizopheria)的初步數據也沒有更進一步的研究證實，唯一確定的是在成人身上的長期影響是會造成慢性支氣管炎(bronchitis)。

至於在腦部仍在發育的兒童和青少年身上的影響則不一樣，有研究發現青少年時期如果重度吸食大麻的話，二十年後他們的智商會比其他同齡的低，不過 Grant 說這個研究的樣本數量有點小。最近科學家們試著用腦部影像來觀察使用大麻前和後的大腦，不過這還需要點時間研究，才能完全了解大麻對發育中的大腦有何影響，Grant 說「目前的資料仍不足」。


【註】美國藥品分類：DEA Drug Schedules

Schedule I

目前不被列為藥品的(化學)物質，有極高的被濫用率，是所有分類中最危險的，會造成生理和心理上的嚴重上癮，此類藥物包括： heroin (海洛因), lysergic acid diethylamide (LSD), marijuana (cannabis), 3,4-methylenedioxymethamphetamine (ecstasy), methaqualone, and peyote

Schedule II

此分類(化學)物質同樣有極高(但比 Schedule I 低)的被濫用率，被認為有危險性，也會有高機率造成生理和心理上的嚴重上癮，此類藥物包括：cocaine (古柯鹼), methamphetamine, methadone, hydromorphone (Dilaudid), meperidine (Demerol), oxycodone (OxyContin), fentanyl, Dexedrine, Adderall, and Ritalin

Schedule III

此分類藥物會造成中度或低微依賴症，被濫用率比 Schedule I 和 II 低，但比 Schedule IV 高。



原文：Lizzie Wade. Everything you wanted to know about medical marijuana, but were too afraid to ask. Science News (2015) Feb


其他資料（NIH NIDA）：

》DrugFacts: Marijuana

》What are marijuawa's long-term effects on the brain?