Вчені з Університету та дослідницького центру Вахенінгена (Wageningen University & Research, WUR) у Нідерландах простежили, як коноплі набули здатності виробляти тетрагідроканабінол (THC), канабідіол (CBD) та канабіхромен (CBC) – і тим самим поставили під сумнів старе уявлення про те, що еволюція нібито завжди рухається до максимальної спеціалізації та вузької функції.
Як науковці «оживили» давні ферменти конопель
Сучасні сорти конопель містять десятки біологічно активних сполук, проте найбільше досліджені саме THC та CBD. Їхній вміст, як і вміст інших канабіноїдів, визначається роботою спеціальних ферментів – синтаз, які перетворюють вихідні молекули на кінцеві сполуки. У нинішніх рослин ці ферменти надзвичайно вибіркові: один тип ферменту переважно виробляє THC, інший – CBD, третій – CBC тощо.
Команда WUR застосувала метод, відомий як реконструкція предкових послідовностей. Він дає змогу за даними про сучасні гени відтворити, як виглядали та працювали білки в далеких еволюційних попередників. Фактично дослідники «повернули в минуле» генетичний текст, синтезували відповідні білки в лабораторії й подивилися, які канабіноїди ті здатні утворювати.
Коли ці відновлені ферменти почали працювати в контрольованих умовах, з’ясувалося, що вони помітно відрізняються від тих, які є у сучасних конопель. Давні ферменти виявилися універсальнішими: з однієї вихідної сполуки вони могли синтезувати одразу кілька різних канабіноїдів, зокрема THC, CBD і CBC. На противагу їм сучасні ферменти поводяться як «вузькопрофільні фахівці» й переважно формують одну провідну сполуку.
Керівник дослідження Робін ван Велзен, разом із колегою Клоє Віяр, звертає увагу: те, що раніше могло виглядати «незавершеним» або «недостатньо тонким» еволюційним рішенням, виявляється дуже вигідним для науки та промисловості. Стародавні ферменти міцніші, краще витримують зміни умов і гнучкіше реагують на різні субстрати, тому стають зручним стартовим матеріалом для біотехнологій та фармацевтики.
Несподівана зірка серед канабіноїдів: чому всі раптом говорять про CBC
Попри те, що THC уже давно асоціюється з психоактивною дією конопель, а CBD став популярним інгредієнтом у медицині й косметиці, канабіхромен (CBC) залишається в тіні. Водночас наукові дані поступово свідчать: його роль може виявитися значно важливішою, ніж вважалося раніше. На це, зокрема, вказують результати огляду, оприлюдненого в базі PubMed Central, де CBC описують як перспективну, але мало досліджену сполуку.
У більшості сучасних сортів конопель вміст CBC не перевищує одного відсотка – цього замало для комфортних досліджень і тим паче для промислового виробництва. За словами ван Велзена, нині не існує жодного сорту з природно високим рівнем цієї сполуки. Саме тут у гру можуть увійти відновлені предкові ферменти: їхнє «запровадження» в рослину здатне змістити баланс синтезу на користь CBC і створити спеціальні медичні сорти, орієнтовані на цю сполуку.
Попередні дослідження свідчать, що CBC може мати протизапальну дію, зменшувати судомні стани та пригнічувати ріст деяких бактерій. Однак спектр можливих ефектів значно ширший – від впливу на біль до потенційної участі в регулюванні настрою. Проблема в тому, що бракує надійних джерел чистого CBC для докладних клінічних робіт, а також чітко розроблених протоколів його застосування. Нове дослідження WUR дає шанс змінити цю ситуацію.
Дріжджі замість плантацій: як мікроорганізми можуть виробляти рідкісні канабіноїди
Окрема частина роботи команди стосувалася того, наскільки легко предкові ферменти вдається «вмонтувати» в зовсім інший біологічний контекст – наприклад, у дріжджові клітини. Такі мікроорганізми вже давно стали робочою «конячкою» біотехнологій: вони виробляють інсулін, ферменти для харчової промисловості й безліч інших речовин, які колись доводилося виділяти з природних джерел.
Дослідники з’ясували, що давні канабіноїдні ферменти значно простіше отримувати в дріжджах та інших мікроорганізмах, ніж сучасні варіанти. Їхня структура виявилася зручнішою для так званої гетерологічної експресії – коли ген працює в організмі, якому від природи не належить. Це відкриває можливість виробляти рідкісні канабіноїди взагалі без вирощування конопель, покладаючись натомість на біореактори з дріжджами або бактеріями.
Такий підхід важливий не лише для медицини, а й для фундаментальної науки. Дослідники отримують стабільні, відтворювані умови, де можна тестувати окремі сполуки, не турбуючись про варіативність рослин, вплив ґрунту, клімату чи агротехніки. А фармацевтичні компанії – потенційно надійне джерело рідкісних речовин без залежності від урожаїв і складних регуляторних процедур, які супроводжують культивування рослин канабісу в багатьох країнах.
«Раціональна інженерія» та гібридні ферменти
Ще один важливий аспект роботи команди WUR – цілеспрямоване модифікування предкових ферментів. Дослідники застосували раціональний підхід до інженерії білків: замість того щоб випадково змінювати послідовність амінокислот, вони, спираючись на структурні моделі та еволюційну інформацію, створювали гібридні ферменти з наперед визначеними властивостями.
Такі гібриди допомогли з’ясувати, які саме амінокислотні заміни стали переломними для еволюції ферментів, що нині відомі як канабіноїдні оксидоцирклази. Саме вони відповідають за перетворення проміжних сполук на THC, CBD, CBC та інші канабіноїди. Виявилося, що поєднання окремих фрагментів предкових та сучасних ферментів надає нових властивостей – інколи таких, яких немає в природі.
Гібридні й відновлені ферменти не лише проявляли нестандартну активність, а й були простішими в роботі під час гетерологічної експресії, ніж їхні сучасні аналоги. У статті дослідницька група підкреслює: розуміння походження та механіки дії оксидоцирклази не обмежується теоретичною цікавістю. Воно відкриває нові горизонти для селекції, створення біотехнологічних платформ і медичних застосувань канабіноїдів.
Wageningen та Plant Biotechnology Journal: де народжуються рослинні інновації
Робота нідерландської команди вийшла в журналі Plant Biotechnology Journal – одній із провідних міжнародних платформ, де публікують дослідження про генетику, молекулярну біологію й удосконалення рослин. Видання має високий науковий авторитет і значний фактор впливу, що означає уважну рецензію та зацікавлення роботою з боку світової спільноти.
Сам Wageningen University & Research відомий як один з найсильніших центрів аграрних та харчових наук у Європі. Його кампус у містечку Вахенінген спеціалізується на всьому, що пов’язано з рослинами, тваринами, довкіллям і продовольчою безпекою. Саме там зосереджені групи, що працюють над генетикою культурних рослин, стійкістю агросистем до змін клімату та сучасними напрямами біотехнологій, включно з дослідженням конопель.
Опублікована стаття вписується в глобальний тренд: замість того щоб лише спостерігати за природою, науковці дедалі активніше повертаються до її «чорнових варіантів» – давніх білків і генів. Відновлюючи й змінюючи їх, вони намагаються розширити інструментарій для медицини, промисловості та сільського господарства, а також краще зрозуміти, як саме еволюція вийшла на ті рішення, які ми бачимо сьогодні.
