Uralte Cannabis-Enzyme zeigen den Ursprung von THC, CBD und CBC

Lange verschwundene Cannabis-Enzyme sind wiederhergestellt worden und zeigen, wann die Pflanze erstmals die chemischen Voraussetzungen zur Bildung von THC, CBD und CBC entwickelte. Diese drei Stoffe prägen die psychoaktiven und medizinischen Wirkungen von Cannabis.

Die Ergebnisse verknüpfen diesen Evolutionsschritt mit stabileren Enzymen, die dazu beitragen könnten, medizinische Cannabiswirkstoffe mit geringeren Lieferschwankungen herzustellen.

Uralte Cannabis-Enzyme kehren zurück

Auch nachdem diese Enzyme vor Millionen Jahren verschwanden, bewahren moderne Cannabis-Genome noch Spuren dieser früheren Chemie.

Durch die Rekonstruktion ausgestorbener Proteine untersuchte Dr. Robin van Velzen von der Wageningen University & Research (WUR) in den Niederlanden, wie die älteren Enzyme funktionierten.

Velzens Rekonstruktionen ergaben, dass das älteste Enzym keinen dieser Stoffe erzeugte, während ein späterer Vorfahre alle drei produzierte.

Eigene Enzyme für THC und CBD entstanden erst später. Diese schrittweise Aufspaltung beeinflusst bis heute, was medizinisches Cannabis bieten kann.

Von Generalisten zu Spezialisten

Genkopien eröffneten der Evolution Raum für Veränderungen, den Cannabis nutzte, um seine chemische Zusammensetzung weiterzuentwickeln.

Nach einer Genduplikation sammelte jede Kopie Veränderungen an, die ihr Produktprofil verschoben. Ein Nachfahrenenzym bevorzugte THC, ein anderes CBD, und ein drittes bildete vor allem CBC, sobald sich diese kleinen Unterschiede summiert hatten.

Züchter versuchen heute, diese angelegten Präferenzen gezielt zu nutzen. Die frühere Flexibilität erklärt jedoch, weshalb perfekte Verhältnisse schwer erreichbar bleiben können.

Wie THC entstand

Irgendwann in der Geschichte von Cannabis erlangte ein früheres Enzym eine neue Fähigkeit und begann, eine entscheidende Ausgangsverbindung zu verarbeiten.

Kleine Veränderungen an seinem aktiven Zentrum, also der funktionellen Tasche, in der Reaktionen stattfinden, ermöglichten ihm, das Molekül zu binden und umzuformen.

Hopfen, ein naher und beim Bierbrauen verwendeter Verwandter von Cannabis, besitzt nicht den Schritt, der Pflanzen die Bildung von THC und CBD ermöglicht. Fehlende Genbestandteile im Hopfen lassen weiterhin eine Lücke offen – Cannabis könnte diesen Stoffwechselweg entwickelt haben, oder Hopfenpflanzen könnten ihn verloren haben.

Ein gemeinsamer chemischer Ausgangspunkt

In Cannabis sativa beginnt der Prozess mit einer Ausgangsverbindung, aus der mehrere wichtige Cannabinoide hervorgehen – Cannabisstoffe, die Körper und Gehirn beeinflussen.

Anschließend lenken Enzyme diese Verbindung auf unterschiedliche Wege und verändern jeweils chemische Bindungen, wodurch sich das Verhalten eines Moleküls wandelt.

Bevor Menschen Cannabis inhalieren, verbacken oder extrahieren, speichert die Pflanze diese Cannabinoide häufig in sauren Formen, die Wärme benötigen.

Bei der Decarboxylierung entfernt Hitze eine Kohlendioxidgruppe, wodurch die sauren Formen zu THC oder CBD werden.

Warum alte Cannabis-Enzyme nützlich sind

Im Labor erzeugte Varianten alter Enzyme erwiesen sich als stabiler als viele moderne Enzyme, selbst wenn sie außerhalb von Pflanzen hergestellt wurden.

Stabile Proteine falten sich korrekt und bleiben funktionsfähig, sodass Mikroben größere Mengen davon herstellen können, ohne dass die Proteine zerfallen.

Das Team betonte, dass diese Anpassungsfähigkeit die wiederbelebten Enzyme zu nützlichen Ausgangspunkten für Biotechnologie und Arzneimittelforschung macht.

Hefen, die Cannabinoide herstellen

Statt Pflanzen auf großen Anbauflächen zu ziehen, könnten Unternehmen Hefen dazu bringen, Cannabinoide unter streng kontrollierten Bedingungen in Stahltanks zu produzieren.

Ingenieure könnten Cannabis-Gene in den Mikroorganismus einbringen; die Hefe würde dann während der Fermentation aus Zucker Cannabinoidsäuren bilden.

Diese Formen müssen erhitzt werden, um zu THC (Tetrahydrocannabinol) oder CBD (Cannabidiol) zu werden, ähnlich wie bei einer getrockneten Blüte.

Robustere Enzyme wie die wiederhergestellten Varianten könnten diesen Ansatz kostengünstiger machen und den Zugang zu selteneren Cannabinoiden eröffnen.

CBC rückt in den Fokus

Ein wiederhergestelltes Enzym fiel besonders auf, weil es den größten Teil des Ausgangsmaterials zu CBC (Cannabichromen) umsetzte, einem von vielen Cannabinoiden der Pflanze.

Indem es CBC so gezielt herstellte, verdeutlichte dieses Enzym, wie kleinste Proteinveränderungen die Chemie in Richtung eines bestimmten Produkts lenken können.

Frühe Untersuchungen bringen CBC bei Tieren mit moderaten entzündungshemmenden und schmerzlindernden Effekten in Verbindung, doch die meisten Cannabispflanzen enthalten nur geringe Mengen davon.

„Die Einführung dieses Enzyms in eine Cannabispflanze könnte daher zu innovativen medizinischen Sorten führen“, ergänzte Van Velzen mit Blick auf die Züchtung CBC-reicher Pflanzen.

Die medizinische Nachfrage nach Cannabis wächst

Medizinisches Cannabis verhält sich selten wie eine herkömmliche Tablette, da Pflanzen Dutzende Stoffe enthalten und deren Konzentrationen schwanken können.

Bei Anfallserkrankungen setzen Ärztinnen und Ärzte gereinigtes CBD ein, einen nicht berauschenden Cannabisstoff, der in den USA als Epidiolex verkauft wird.

Standardisierte Produkte benötigen gleichbleibende Wirkstoffströme, und die mikrobielle Produktion kann von Charge zu Charge dasselbe Cannabinoid liefern.

Alte Enzyme, die Veränderungen gut tolerieren, könnten helfen, diesen Bedarf zu decken und die Forschung zugleich von Freizeitmärkten getrennt zu halten.

Nächste Schritte für Cannabis-Enzyme

Lücken in Pflanzengenomen begrenzen weiterhin, wie weit sich diese Evolutionsgeschichte verlässlich zurückverfolgen lässt.

Mehr DNA von wilden Cannabis-Verwandten und von Hopfen könnte klären, ob das Enzym für die Ausgangsverbindung einmal oder zweimal entstand.

Die Forschung an wiederhergestellten Enzymen braucht ebenfalls Grenzen, da Laborbedingungen die klebrigen Harze in lebenden Drüsen nicht vollständig nachbilden können.

Dennoch bietet dieser Ansatz Forschenden eine praktische Möglichkeit, lange vergangene Biologie zu prüfen und besser vorhersehbare Werkzeuge für die Medizin zu entwickeln.

Die Rekonstruktion verlorener Enzyme zeigt, wie Cannabis seine chemische Vielfalt aufbaute, und weist zugleich auf stabilere Bausteine für die künftige Herstellung von Cannabinoiden hin.

Während Ingenieure diese Enzyme in Hefen einsetzen und Züchter sie in Pflanzen erproben, müssen Regulierungsbehörden auf Sicherheit und Beständigkeit achten.