加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的合成生物學(xué)家設(shè)計(jì)了啤酒酵母，以生產(chǎn)大麻的主要成分 - 改變思維的THC和非精神活性的CBD-以及植物本身未發(fā)現(xiàn)的新型大麻素。只喂食糖，酵母是一種簡(jiǎn)單而廉價(jià)的方法來生產(chǎn)純大麻素，如今從大麻植物大麻的芽中提取出來的代價(jià)很高。

“對(duì)于消費(fèi)者來說，好處是高質(zhì)量，低成本的CBD和THC：你可以得到你想要的酵母，”加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)和生物分子工程和生物工程教授，以及一位教師科學(xué)家Jay Keasling說。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。“這是一種更安全，更環(huán)保的生產(chǎn)大麻素的方法。”

大麻及其提取物，包括高誘導(dǎo)性四氫大麻酚或四氫大麻酚，現(xiàn)在在10個(gè)州和哥倫比亞特區(qū)是合法的，而娛樂性大麻 - 煙熏，空腹或作為食物消費(fèi) - 在全國(guó)范圍內(nèi)是一項(xiàng)數(shù)十億美元的業(yè)務(wù)。美國(guó)食品和藥物管理局已經(jīng)批準(zhǔn)含有THC的藥物，以減少化療后的惡心，并改善艾滋病患者的食欲。

CBD或大麻二醇越來越多地用于化妝品 - 所謂的藥妝品 - 并且已被批準(zhǔn)用于治療兒童癲癇發(fā)作。它正在被研究用于治療多種疾病，包括焦慮癥，帕金森病和慢性疼痛。

但是對(duì)大麻中100多種其他化學(xué)物質(zhì)的醫(yī)學(xué)研究一直很困難，因?yàn)榛瘜W(xué)物質(zhì)的含量很少，很難從植物中提取。廉價(jià)，純凈的來源 - 如酵母 - 可以使這些研究更容易。

此外，他補(bǔ)充說，“基于新型大麻素的新療法的可能性：幾乎不可能從植物中獲得的稀有大麻素，或者從植物中無法獲得的非天然大麻素。”

伯克利的Philomathia替代能源基金會(huì)主席Keasling及其同事將于2月27日在Nature雜志上發(fā)表他們的報(bào)告。

將化學(xué)途徑插入酵母中

大麻素加入了許多其他現(xiàn)在在酵母中生產(chǎn)的化學(xué)物質(zhì)和藥物，包括人體生長(zhǎng)激素，胰島素，血液凝固因子，以及最近市場(chǎng)上還沒有的嗎啡和其他阿片類藥物。

作為合成生物學(xué)的先驅(qū)之一，Keasling長(zhǎng)期以來一直尋求將酵母和細(xì)菌作為“綠色”藥物工廠，消除化學(xué)工業(yè)中常見的昂貴的合成或萃取過程以及經(jīng)常有毒或?qū)Νh(huán)境有害的化學(xué)副產(chǎn)品。

大麻種植是能源密集型和環(huán)境破壞性產(chǎn)業(yè)的一個(gè)主要例子。加利福尼亞西北部的農(nóng)場(chǎng)污染了農(nóng)藥和肥料徑流，并幫助排放流域，因?yàn)榇舐橹参镄枰罅康乃?。非法的種植導(dǎo)致了明顯的侵蝕和侵蝕。

在通風(fēng)扇下生長(zhǎng)燈的室內(nèi)栽培使用了大量的能源，占每年電力消耗的比例越來越大。一項(xiàng)研究估計(jì)，加州的大麻產(chǎn)業(yè)占該州用電量的3%。室內(nèi)生長(zhǎng)導(dǎo)致一些城市停電，能源消耗可以使一磅雜草的價(jià)格增加1000美元以上。

因此，Keasling有興趣找到一種“綠色”方式來生產(chǎn)大麻中的活性化學(xué)物質(zhì)。

“這是一項(xiàng)有趣的科學(xué)挑戰(zhàn)，”他承認(rèn)，這與他和他的團(tuán)隊(duì)在酵母中成功克服的其他挑戰(zhàn)類似：生產(chǎn)抗瘧藥物，青蒿素; 將植物廢物轉(zhuǎn)化為生物燃料; 合成食品和化妝品行業(yè)的香精和香料以及制造新材料的化學(xué)中間體。“但是當(dāng)你讀到患有癲癇發(fā)作并得到CBD幫助的患者的病例，特別是兒童時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這些分子有一些價(jià)值，而在酵母中生產(chǎn)大麻素真的很棒。”

根據(jù)美國(guó)緝毒局的批準(zhǔn)和監(jiān)督 - 根據(jù)聯(lián)邦法律，大麻仍然是非法的 - 伯克利博士后小羅和參與該項(xiàng)目的研究生邁克爾雷特開始在酵母中組裝一系列化學(xué)步驟來生產(chǎn)，最初是所有大麻素的母親，CBGA(cannabigerolic acid)。在大麻和酵母中，化學(xué)反應(yīng)涉及化合物的酸形式：CBGA及其衍生物，THCA和CBDA。當(dāng)暴露在光和熱下時(shí)，它們很容易轉(zhuǎn)化為CBG，THC和CBD。

將酵母變成化學(xué)工廠需要選擇它們的新陳代謝，以便不用將糖轉(zhuǎn)化為酒精，例如，酵母將糖轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)物質(zhì)，然后通過添加酶進(jìn)行改性以產(chǎn)生新產(chǎn)品，例如THC，即酵母分泌到它們周圍的液體中。研究人員最終在酵母中插入了十幾個(gè)基因，其中許多是大麻植物用來合成大麻素的基因拷貝。

然而，一步證明是Keasling集團(tuán)和競(jìng)爭(zhēng)團(tuán)體的障礙：在大麻植物中制造CBGA 的關(guān)鍵化學(xué)步驟的酶在酵母中不起作用。

Berkeley博士后Leo d'Espaux和研究生Jeff Wong不再設(shè)計(jì)不同的合成途徑，而是回到植物本身并分離出第二種酶，異戊二烯轉(zhuǎn)移酶，它做同樣的事情，并將其粘在酵母中。

“這就像流氓一樣，”凱斯林說。

一旦他們有酵母生產(chǎn)CBGA，他們添加另一種酶將CBGA轉(zhuǎn)化為THCA和一種不同的酶，以創(chuàng)建通往CBDA的途徑。Keasling說，盡管酵母生產(chǎn)的產(chǎn)品主要是THC或CBD，但每種產(chǎn)品仍必須與其他少量存在的化學(xué)品分開。

他們還添加了酵素，使酵母產(chǎn)生另外兩種天然大麻素，CBDV(大麻二呋喃)和THCV(四氫大麻素)，其效果尚不清楚。

令人驚訝的是，小州和邁克爾發(fā)現(xiàn)，在酵母中制作CBGA所涉及的酶促步驟足夠靈活，可以接受各種起始化學(xué)品 - 不同的脂肪酸代替大麻植物使用的脂肪酸，己酸 - 產(chǎn)生大麻素而不是大麻素存在于植物本身。他們還讓酵母將化學(xué)物質(zhì)加入到大麻素中，以后可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行化學(xué)改變，從而創(chuàng)造了另一種生產(chǎn)前所未有但可能具有醫(yī)學(xué)用途的大麻素的途徑。

Keasling隨后成立了加利福尼亞州Emeryville的公司Demetrix Inc.，后來Espaux和Wong加入該公司，該公司授權(quán)Berkeley的技術(shù)使用酵母發(fā)酵來制造大麻素。

“經(jīng)濟(jì)學(xué)看起來非常好，”基斯林說。“成本具有競(jìng)爭(zhēng)力或優(yōu)于植物衍生的大麻素。制造商不必?fù)?dān)心污染 - 例如，CBD中的THC會(huì)讓你感到高漲。”