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Microorganismos y marihuana genéticamente modificada para producción de compuestos medicinales


Científicos trabajan en la modificación genética de bacterias y levaduras para lograr una producción a gran escala de cannabinoides con potencial farmacéutico.

Además, otros investigadores desarrollan cannabis biotecnológica que producen estos mismos compuestos en toda la planta, no solo en sus tricomas.



Nature / 28 de agosto de 2019.- El cannabis (p marihuana) es la única planta que se conoce que produzca tetrahidrocannabinol (THC), pero sigue siendo un recipiente imperfecto para producir el producto químico a escala industrial. La sustancia psicoactiva normalmente se encuentra solo en pequeñas estructuras abultadas de la planta conocida como tricomas, lo que significa que su tallo, tallos y hojas son biomasa desperdiciada.

La ingeniería genética podría proporcionar alternativas más eficientes. Algunos investigadores y compañías de biotecnología aspiran a reemplazar las plantas de cannabis con microorganismos que han sido mejorados genéticamente para producir THC, también el compuesto no-psicoactivo cannabidiol (CBD) y una miríada de otros cannabinoides de interés farmacéutico. Otros investigadores tienen como objetivo modificar la síntesis química en la planta de cannabis modificando genéticamente sus células para hacer que las moléculas deseadas se produzcan de punta a punta en la planta, lo que aumentaría el rendimiento de producción.

De cualquier manera, el objetivo es el mismo: producir cannabinoides de manera más económica, eficiente y confiable que mediante el cultivo de plantas convencionales en invernaderos o campos de agricultores. Otros beneficios de la síntesis microbiana incluyen la capacidad de producir en masa cannabinoides raros que generalmente están presentes en las plantas en muy pequeñas cantidades, o incluso producir moléculas que no se encuentran en la naturaleza. Las plantas transgénicas también se pueden diseñar para una resistencia superior a las plagas y al estrés ambiental.

El interés comercial en estas estrategias está aumentando. En 2018, por ejemplo, Canopy Growth Corporation en Smiths Falls, Canadá, la compañía legal de cannabis más grande del mundo, pagó más de US$300 millones en efectivo y acciones para adquirir Ebbu, una pequeña compañía en Evergreen, Colorado, que había desarrollado una de las primeras plataformas para manipular el genoma del cannabis con el sistema de edición de genes CRISPR/Cas9. Y en abril, Zenabis, un productor de cannabis con sede en Vancouver, Canadá, acordó comprar 36 toneladas de CBD casi puro y bacteriano de la compañía farmacéutica de cannabis Farmako en Frankfurt, Alemania, el primer acuerdo de este tipo para cannabinoides biosintéticos.

David Kideckel, analista de cannabis de la empresa de servicios financieros AltaCorp Capital en Toronto, Canadá, describe la ingeniería genética como un “disruptor” que promete llevar una práctica agrícola centenaria a la era de la biotecnología, con impactos resultantes que se sienten en todo el sector del cannabis a nivel mundial. Cuando se trata de producir extractos de cannabis, las plantas podrían ser suplantadas por microorganismos, y una mayor gama de cannabinoides podría estar disponible para su uso en productos médicos y recreativos.

Si eso sucede, la icónica hoja de cannabis ya no representaría con precisión de dónde provienen los ingredientes activos. En cambio, un biorreactor de acero inoxidable podría ser más apto.

Cocinar cannabinoides

Parte del atractivo de deshacerse de los invernaderos y cambiar a biorreactores se reduce al costo. Actualmente, 1 kilogramo de CBD de alta calidad extraído de plantas se vende a un precio mayorista de más de $5,000. Un acuerdo en 2018 entre Ginkgo Bioworks, una compañía de biología sintética en Boston, Massachusetts, y Cronos Group, un productor de cannabis con sede en Toronto, describe un plan para fabricar CBD puro y otros cannabinoides por menos de $1,000 por kg en levadura.

La biofabricación en microorganismos modificados también ofrece un nivel de consistencia que es imposible de replicar en las plantas que, como la mayoría de los productos agrícolas, están sujetas al clima, las plagas y otras incertidumbres ambientales. La producción en laboratorio también es mejor para el medio ambiente porque se necesita menos energía para hacer funcionar un biorreactor que para alimentar las luces de crecimiento y los ventiladores de una operación de cultivo de cannabis en interiores. La contaminación del agua y la destrucción de la tierra que se asocia con el cultivo de cannabis al aire libre también se pueden evitar.

Sin embargo, quizás la mayor ventaja de cocinar cannabinoides en fermentadores es la capacidad de producir grandes cantidades de cannabinoides menos conocidos que generalmente se encuentran solo en mínimas cantidades en las plantas de cannabis.

“La gente está tan concentrada en los dos grandes, THC y CBD, que estamos olvidando que hay potencialmente otros compuestos realmente útiles en la planta”, dice Tony Farina, director científico de la empresa de biología sintética Librede en Carlsbad, California. “Esa es la dirección por la cual realmente deberíamos estar usando esta plataforma de biosíntesis”.

Cronos ha seleccionado algunas moléculas de particular interés. Estos incluyen el cannabicromeno (CBC), un cannabinoide raro que se cree que tiene propiedades antiinflamatorias, y el cannabigerol (CBG), un precursor químico del THC y el CBD con el potencial de proteger las plantas de cannabis de las moléculas inductoras de daño dentro de las células. En lo alto de la lista de la compañía también hay una variante de THC que suprime el apetito llamada tetrahidrocannabivarina (THCV). Este cannabinoide tiene potencial médico en personas afectadas por trastornos de sobrealimentación compulsiva, y el THCV podría atraer a los usuarios recreativos de cannabis que disfrutan de los efectos intoxicantes de la droga, pero prefieren evitar sus propiedades inductoras del hambre.

“Ofrece el mismo efecto de euforia que el THC, pero sin los atracones”, dice el director ejecutivo de Cronos, Mike Gorenstein.

Al menos 18 compañías están compitiendo para producir cannabinoides en levaduras, bacterias o algas. Aunque cada jugador de la industria tiene un enfoque patentado, todas son variaciones de un libro de jugadas básico descrito a principios de este año por el biólogo sintético Jay Keasling de la Universidad de California, Berkeley (X. Luo et al. Nature 567, 123-126; 2019) .V )

Keasling y sus colegas introdujeron una serie de cambios genéticos en la levadura Saccharomyces cerevisiaeAl ajustar algunos genes de levadura e insertar otros de las bacterias y la planta de cannabis, el equipo creó un organismo capaz de llevar a cabo todas las reacciones químicas que intervienen en la producción de cannabinoides. Alimentar a la levadura con un azúcar simple generó bajas cantidades de THC o CBD inactivo, que se pueden convertir en sus formas activas por calentamiento.

Debido a que las enzimas en la vía de los cannabinoides son “un poco descuidadas”, como dice Keasling, el equipo también podría introducir ácidos grasos que la levadura incorporaría en los cannabinoides. Esto generó variantes de THC y CBD que no se encuentran en la naturaleza. “Creamos moléculas completamente nuevas que podrían ser mejores terapéuticos“, dice Keasling.

Sin embargo, con los rendimientos reportados, la plataforma de Keasling no está lista para su lanzamiento estelar. Se necesitan mejoras dramáticas tanto en la eficacia de producción la levadura como en el protocolo de fermentación para que el enfoque biosintético sea rentable con los cannabinoides extraídos de la planta. Demetrix en Emeryville, California, una compañía cofundada por Keasling que ha asegurado más de US$60 millones en fondos (lo que la convierte en la empresa emergente mejor financiada dedicada a la producción de cannabinoides en laboratorio) está desarrollando aún más la tecnología. El director ejecutivo de Demetrix, Jeff Ubersax, dice que su equipo ha aumentado el rendimiento de los cannabinoides en “varios órdenes de magnitud”.

Pero muchas compañías hicieron afirmaciones similares a la revista Nature que, sin datos verificables, no pueden ser justificadas. Incluso si son ciertas, conseguir que algo funcione en el laboratorio no garantiza el éxito en una planta de fabricación, dice Stephen Payne, director ejecutivo de Maku Technologies, una nueva empresa en Durham, Carolina del Norte. Maku se está enfocando en producir cannabinoides naturales raros mediante levaduras. “A lo largo de mi tiempo en la industria de la biología sintética, he visto cosas que funcionan a pequeña escala que no tienen posibilidades de alcanzar niveles industriales”, dice Payne.

Catalizando el éxito

Convertir la levadura en fábricas de cannabinoides en miniatura plantea desafíos considerables. Aunque el protocolo de Keasling involucra 16 modificaciones genéticas, la eficiencia general del procedimiento se redujo a un solo cuello de botella.

El atolladero involucró una enzima que se necesita para la producción de CBG. Los investigadores caracterizaron la enzima, conocida como preniltransferasa, hace aproximadamente una década en una cepa de cannabis medicinal. Inicialmente, Keasling intentó usar esa enzima derivada del cannabis en la levadura, pero no funcionó: la levadura no produjo CBG.

Sin embargo, después de hurgar en las bases de datos de expresión génica, Keasling encontró una preniltransferasa alternativa que fue codificada por otra variedad de cannabis. Introdujo esto en la levadura y todas las piezas cayeron en su lugar para producir CBG y sus derivados.

Algunos investigadores enfrentaron el mismo desafío enzimático en S. cerevisiae y decidieron cambiar a organismos alternativos. El bioingeniero Oliver Kayser y sus colegas de la Universidad Técnica de Dortmund en Alemania recurrieron a una especie de levadura llamada Komagataella phaffii (B. Zirpel et al. J. Biotechnol. 259, 204–212; 2017).

Otros han renunciado a la levadura por completo. Vikramaditya Yadav, ingeniero químico de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, se ha mudado a trabajar en bacterias. Está colaborando con una compañía con sede en Vancouver llamada InMed Pharmaceuticals para producir cannabinoides en Escherichia coli.

Una ventaja de las bacterias sobre otros sistemas basados ​​en células, dice Yadav, es que no unen azúcares a las proteínas que producen de la misma manera que lo hacen la levadura y otros organismos con un núcleo cerrado. Esos adornos de azúcar pueden limitar la actividad de las enzimas que son cruciales para la vía de los cannabinoides, al menos en K. phaffii, como lo ha demostrado el equipo de Kayser (B. Zirpel et al. J. Biotechnol. 284, 17–26; 2018), que conduce a menores rendimientos.

Las bacterias también secretan naturalmente los cannabinoides que producen en el medio circundante, de donde se pueden extraer fácilmente. Este fenómeno proporciona ventajas de velocidad y costo porque permite la fabricación continua, mientras que los organismos que retienen sus productos química dentro de las células deben abrirse como parte de un sistema de producción por lotes. La levadura generalmente no secreta proteínas, pero los investigadores de Librede y de otros lugares afirman haber diseñado esta función en el organismo.

Otro desafío para usar levadura o E. coli es la toxicidad de los cannabinoides. Dichas moléculas evolucionaron en las plantas como mecanismo de defensa contra insectos, microorganismos y otras amenazas biológicas. Esto significa que los químicos que los investigadores desean a menudo son mortales para los organismos que han sido modificados genéticamente para fabricarlos.

En Farmako, que anunció en julio que su equipo de investigación de biosíntesis se dividiría para formar una nueva compañía de biotecnología, los científicos recurrieron a Zymomonas mobilis, una bacteria utilizada en la producción de tequila. Según el biólogo molecular y cofundador de Farmako, Patrick Schmitt, quien se espera lidere la empresa spin-out, este microorganismo es inmune a la toxicidad de los cannabinoides, aunque no está claro por qué. Mientras tanto, los investigadores de Renew Biopharma en San Diego, California, están trabajando en Chlamydomonas reinhardtii, una alga verde que compartimenta su síntesis de cannabinoides en cloroplastos. Al hacerlo, el resto de la célula se protege de las moléculas tóxicas.

Además de las ventajas biológicas, la producción de cannabinoides en un organismo no convencional como un alga tiene un buen sentido comercial porque el enfoque es propietario, dice Michael Méndez, fundador y director ejecutivo de Renew Biopharma. “La propiedad intelectual gobernará el día en este espacio”, dice. Y como Jeremy de Beer, profesor de derecho en la Universidad de Ottawa que estudió patentes de cannabis, señala: “Estamos en una especie de fiebre del oro de la propiedad intelectual”.

La Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos ya ha protegido el uso de la levadura de Librede para sintetizar los cannabinoides a partir de azúcares. Han seguido otras patentes, incluida una otorgada a Teewinot Life Sciences en Tampa, Florida, para un biorreactor diseñado para cultivar microorganismos productores de cannabinoides. Es posible que las batallas legales no se queden muy atrás. “No será una sorpresa en absoluto, a medida que aumentan los ingresos de las ventas de cannabis, y se ve un aumento similar en la aplicación de las patentes”, dice Stephen Hash, abogado de patentes de Baker Botts en Austin, Texas. “Irá de la mano”.

Plantado firmemente

En lugar de tratar de forzar la producción de cannabinoides en microorganismos, algunas compañías se quedan con las plantas de cannabis, pero usan herramientas de biotecnología para impulsar el cultivo.

Trait Biosciences en Toronto ha modificado genéticamente el cannabis para permitirle producir cannabinoides en toda la planta, no solo en los tricomas, y así aumentar el rendimiento que proporciona cada planta. La compañía también agregó enzimas que hicieron que los cannabinoides fueran menos tóxicos y que moléculas generalmente aceitosas sean solubles en agua.

“Ese fue un beneficio adicional que pronto nos dimos cuenta de que tal vez era tan importante, si es que no más importante, que el aumento del rendimiento”, dice Richard Sayre, director científico de Trait. “Ahora que son solubles en agua, esencialmente podemos presionar la planta al igual que lo hacen con la caña de azúcar para exprimir el jugo y recuperar los cannabinoides“.

La solubilidad en agua también abre la posibilidad de crear nuevos tipos de bebidas con infusión de cannabis o productos comestibles. “Es insípido e inodoro, por lo que puede mezclarse en una variedad de aplicaciones”, explica Sayre.

En Ebbu, el director de investigación genética Robert Roscow ha presentado patentes que cubren métodos para manipular la síntesis de cannabinoides en plantas. Utiliza la edición de genes CRISPR/Cas9 para eliminar ciertas enzimas en la vía de síntesis de cannabinoides que están involucradas en la producción de THC. Esto le ha permitido generar plantas de cannabis que producen solo CBD. Y al apuntar a las enzimas que participan en la síntesis de THC y CBD, ha producido plantas que secretan solo CBG.

Algunos cultivadores de cannabis expertos han creado plantas ricas en cannabinoides raros como CBG o THCV a través del mejoramiento genético convencional (por cruce y selección), pero eso puede ser un proceso laborioso y difícil. “La modificación a través de la ingeniería genética es probablemente la forma más sencilla de obtener el fenotipo deseado”, dice Igor Kovalchuk, biotecnólogo de plantas de la Universidad de Lethbridge, Canadá, y cofundador de la empresa de genómica del cannabis InPlanta Biotechnology, también en Lethbridge.

La ingeniería genética también es una herramienta poderosa para investigar la función de los genes del cannabis, información que luego puede retroalimentarse en un programa de mejoramiento más convencional. Pero más allá del laboratorio, Kovalchuk dice: “No creo que el cannabis genéticamente modificado tenga futuro en los próximos años”.

Un obstáculo sigue siendo la inquietud de los consumidores sobre los cultivos genéticamente modificados, lo que podría llevar a una desconfianza de la biosíntesis basada en microorganismos. “A la gente le gusta su hierba y les importará si sus cannabinoides provienen de una levadura genéticamente modificada o de una planta cultivada en el campo”, dice Jordan Zager, cofundador y director ejecutivo de Dewey Scientific, una compañía de biotecnología del cannabis en Pullman, Washington. .

La procedencia tecnológica de los cannabinoides podría no ser tan importante para el sector farmacéutico, donde los consumidores tienden a ser menos reacios a la ingeniería genética. Pero según Ethan Russo, director de investigación y desarrollo del Instituto Internacional de Cannabis y Cannabinoides en Praga, los cannabinoides derivados bioquímicamente, incluso cuando se mezclan y combinan en formulaciones terapéuticas, probablemente nunca igualarán la sinergia botánica de los cientos de moléculas que se encuentran en el cannabis.

La existencia de este efecto de “sinergia” no se acepta universalmente. Pero para Russo, “la planta es el diseño de la naturaleza para esta colección de productos químicos”.


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