在伯克利的一间实验室里，一种更常因啤酒和面包而闻名的微生物，被安排上了一份截然不同的“食谱”。啤酒酵母 Saccharomyces cerevisiae 被喂以糖分，并经过工程改造，用来制造与大麻相关的化学物质，而不是酒精或蓬松的面团。[2]

科学家将大麻植物基因和其他遗传改造引入啤酒酵母，使其能够以糖为原料生产包括 THC 和 CBD 在内的大麻素。长期目标是用发酵方式生产大麻素，让这一过程更便宜、更纯净，并减少对种植大麻植物的依赖。

这项研究于 2019 年 2 月发表在 Nature 上，它把一种人们熟悉的酿造生物，变成了一座微型化学工厂。[1] 由加州大学伯克利分校 Jay Keasling 领导的研究团队改造了这种酵母，使其能够把半乳糖这种糖转化为存在于 Cannabis sativa 中的大麻素化合物。[1]

Keasling 是化学与生物分子工程以及生物工程教授，他直截了当地概括了这种方法的吸引力：“你能从酵母中得到你真正想要的东西。”[2] 大麻植物本身作为原料来源并不稳定，而从植物中提取稀有化合物可能成本高昂，因为许多大麻素只以微量存在。[3]

带有大麻合成通路的啤酒酵母

伯克利团队并不是简单地拨动了一个基因开关。据 Nature 的报道，研究人员修改了 S. cerevisiae 中原本就存在的多个基因，并引入了来自五类细菌以及大麻植物的其他基因。[4] 总的来说，这种酵母需要 16 处遗传改造，才能把半乳糖转化为 THC 或 CBD 的非活性形式；这些形式随后可通过加热转变为活性形式。[4]

在经过改造的细胞内部，糖分会进入一条重建后的植物代谢通路。酵母先制造中间化学物质，然后生成大麻萜酚酸，即 CBGa。它常被称为“母体大麻素”，因为它可以进一步发展成多种其他大麻化合物。[3]

在最后一步，研究人员可以控制最终产物的走向。Keasling 告诉 Scientific American，生产 THC 的酵母菌株与生产 CBD 的菌株只相差一个基因，也就是这条通路中把 CBGa 转化为其中一种分子的最后一个基因。[3] 只要替换这个基因，同样的方法就有可能用于获取更稀有的大麻素。[3]

这些更稀有的化合物，正是酵母方案具有重要意义的一大原因。大麻中含有 100 多种大麻素，但其中大多数的浓度远低于 THC 和 CBD。[3] 当科学家试图从植物中分离它们时，产物可能成本很高，而且还可能含有更常见大麻素“近亲”的痕量杂质。[3] 发酵则提供了一种获得更洁净、更标准化批次的可能。

规模化难题

最初的产量仍然很低。根据 Innoscience 概述的 Nature 报告，这种工程酵母每升大约能产生 8 毫克 THC，CBD 的产量则更低。[4] Librede 首席执行官 Jason Poulos 表示，要让酵母制造的大麻素在成本上与植物提取版本竞争，产量至少需要提高 100 倍。[4]

其他研究人员则把这一结果视为一次重要的“搭建成功”证明。蒙特利尔 Hyasynth Bio 首席执行官 Kevin Chen 表示，这项研究的重要性在于，它把完整的大麻素生产线组装进了一个细胞之中。[4] 多伦多 AltaCorp Capital 的大麻行业分析师 David Kideckel 当时预测，合成大麻素距离达到足以供制药公司或普通公众负担的成本效益，仍需要 18 到 24 个月。[4]

这种方法也符合合成生物学中的一个更大趋势。工程酵母以及相关微生物系统，此前已经被用于制造商业化抗疟疾药物和实验室阿片类物质。[4] 而在这个案例中，这种古老的酿造微生物被赋予的任务，是承载一条大麻合成通路。

人们设想的终点，并不是一片开花的田地，也不是一盘黏稠的大麻花蕾。它是一只发酵罐：糖分进入其中，酵母一个细胞一个细胞地工作，大麻素在里面逐渐积累——那里原本或许会被期待酿出啤酒。

来源

  1. Nature, “Scientists brew cannabis using hacked beer yeast”
  2. UC Berkeley College of Chemistry, “Yeast produce low-cost, high-quality cannabinoids”
  3. Scientific American, “Rising High: GM Yeast Generates Known and Novel Marijuana Compounds”
  4. Innoscience Research Institute, “Scientists brew cannabis using hacked beer yeast”