Zuccheri in cannabinoidi grazie ad un nuovo Saccharomyces cerevisiae geneticamente modificato

Il lievito Saccharomyces cerevisiae (Fig. 1), il microrganismo modello per eccellenza dei sistemi eucariotici, ha stupito ancora una volta la comunità scientifica mondiale per la versatilità e la duttilità che lo caratterizzano, rendendolo un pilastro della microbiologia.

Figura 1 – Cellule di Saccharomyces cerevisiae wild type
Figura 1 – Cellule di Saccharomyces cerevisiae wild type

Sono innumerevoli i processi industriali in cui trova applicazione questa specie: la panificazione, la fermentazione alcolica per la produzione di birra e di bioetanolo (uno dei bio-carburanti del futuro), la produzione di enzimi, ormoni peptidici (es. insulina) e di molecole biologicamente attive di interesse industriale e farmaceutico (es. antidolorifici oppiacei).

Secondo un recente studio pubblicato sulla rivista Nature, a queste funzioni si aggiunge anche la capacità di produrre l’acido cannabigerolico (CBGa) (Fig. 2), un precursore fondamentale per la sintesi di molti cannabinoidi di interesse terapeutico, tra cui il tetraidrocannabinolo (THC) e il cannabidiolo (CBD).

Figura 2 – Struttura chimica dell’acido cannabigerolico (CBGa), precursore dei cannabinoidi tetraidrocannabinolo (THC) e cannabidiolo (CBD)
Figura 2 – Struttura chimica dell’acido cannabigerolico (CBGa), precursore dei cannabinoidi tetraidrocannabinolo (THC) e cannabidiolo (CBD)

Questo nuovo pathway biosintetico (Fig. 3) è stato ottenuto dai ricercatori dell’Università della California a Berkeley, guidati dal Prof. Jay Keasling, mediante un approccio di ingegneria genetica sul Saccharomyces cerevisiae, in cui gli scienziati hanno trasferito nel lievito sequenze genetiche codificanti per gli enzimi coinvolti nelle vie metaboliche delle piante di Cannabis sativa.

Figura 3 – Pathway biosintetico dei cannabinoidi THC e CBD da parte del lievito geneticamente modificato
Figura 3 – Pathway biosintetico dei cannabinoidi THC e CBD da parte del lievito geneticamente modificato

Mediante questo approccio sono stati ottenuti diversi ceppi OGM, ognuno dei quali può trasformare uno zucchero, rappresentato dal galattosio, dapprima in acido cannabigerolico, l’intermedio chiave per la sintesi di diverse tipologie di cannabinoidi, e successivamente in uno specifico cannabinoide. Per cui, ogni singolo ceppo di lievito trasforma il CBGa in un cannabinoide diverso. Inoltre, il lievito che produce THC è diverso dal lievito che produce CBD solamente per un gene, e ciò rappresenta un aspetto altamente innovativo e versatile poiché cambiando semplicemente il gene codificante per l’enzima che catalizza l’ultimo step biosintetico è possibile produrre cannabinoidi differenti, alcuni dei quali anche molto rari.

Infatti, la marijuana contiene più di 100 diversi cannabinoidi, ma la maggior parte di essi è presente a concentrazioni molto più basse del CBD e del THC. Di conseguenza, i cannabinoidi prodotti in quantità minori dalle piante sono più rari e quindi più costosi da produrre.

Ad oggi, questa classe di molecole organiche è molto utilizzata a livello terapeutico in molti Paesi d’Europa, tra cui l’Italia, ma ottenerle in modo naturale è abbastanza complesso poiché la coltivazione in campo aperto richiede grandi quantità di acqua e fertilizzanti mentre la coltivazione in serra è ancora più costosa perché richiede molta energia per luce e ventilazione. A complicare ulteriormente la produzione dei cannabinoidi vi è lo step di estrazione, durante il quale i composti più rari sono spesso contaminati da tracce delle altre molecole più concentrate.

Pertanto, la produzione dei cannabinoidi attraverso processi fermentativi economici, scalabili e a basso impatto ambientale, basati sull’impiego di specie di lieviti OGM, potrebbe ridurre significativamente il costo dei cannabinoidi più rari, portando il prezzo delle varietà rare allo stesso livello di quelle più comuni. Il tutto con grande beneficio del Sistema Sanitario Nazionale e soprattutto della gente affetta da patologie curabili con questa classe di molecole naturali.

Nicola Di Fidio

Sitografia

Bibliografia

  • Xiaozhou Luo, et al. Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast. Nature, 567(123), 2019. https://doi.org/10.1038/s41586-019-0978-9

Crediti immagini

  • http://www.lescienze.it/news/2019/03/01/news/lievito_modificato_sintesi_cannabinoidi-4314520/
  • https://la-riviera.it/cronaca/ventenne-imperiese-fermato-con-oltre-2-etti-di-marijuana/
  • https://www.allposters.com/-sp/Yeast-Saccharomyces-Cerevisiae-Budding-and-with-Bud-Scars-SEM-X6000-Posters_i8995317_.htm
  • https://ilsuperuovo.it/demetrix-la-startup-che-produce-cannabinoidi-da-lievito-ogm/
Foto dell'autore

Nicola Di Fidio

Nicola Di Fidio, autore di Microbiologia Italia dal 2017 (94 articoli pubblicati). Laureato in Biotecnologie Industriali e Ambientali, Dottore di Ricerca in Scienze Chimiche e dei Materiali. Ricercatore Junior in Chimica Industriale presso il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell'Università di Pisa. Coordinatore nazionale dell'Area Tematica "Riconoscimento del Dottorato di Ricerca" presso l'Associazione Dottorandi e Dottori di Ricerca in Italia (ADI). Settori di ricerca: biotecnologie industriali, microbiologia industriale, catalisi chimica, biocatalisi, chimica verde, chemiometria, sviluppo e ottimizzazione di processi di bioraffineria, valorizzazione di biomasse agroindustriali. Progetti di ricerca: sviluppo e ottimizzazione di processi catalitici chimici e biologici per la conversione di biomasse lignocellulosiche (canna gigante, cardo, scarti dell'industria della carta) in zuccheri di seconda generazione (glucosio, xilosio, arabinosio, cellobiosio), acidi organici (acido acetico, acido levulinico, acido formico), composti furanici (5-idrossimetilfurfurale, 2-furfurale), trigliceridi e metilesteri di acidi grassi a lunga catena. Tel.: +39 3299740251 E-mail istituzionale: nicola.difidio@unipi.it Scopus Author ID: 57194336585 ResearcherID: H-2409-2016 Orcid ID: orcid.org/0000-0001-8037-6355 ResearchGate Profile: https://www.researchgate.net/profile/Nicola_Di_Fidio2

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