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Bioingegneria della Cannabis terapeutica. Il futuro della produzione di cannabinoidi

Indice

La cannabis è un’eccitante area di ricerca e molti scienziati vedono questa pianta come una promettente fonte di principi attivi naturali adatti a curare svariate patologie. È possibile selezionare i suoi principi attivi, il che potrebbe aiutarci a produrre le medicine di cui abbiamo tanto bisogno.

La cannabis (marijuana) è la droga illecita più popolare nel mondo. Di conseguenza negli ultimi anni è diventata una grande industria. Negli Stati Uniti un numero crescente di stati ha legalizzato la cannabis per scopi medici e ricreativi. L’offerta non riesce a tenere il passo con la domanda e la cannabis è una delle colture più redditizie negli Stati Uniti. Tuttavia, la produzione di principi attivi su scala industriale rimane impegnativa perché la pianta ha una resa molto bassa di componenti bioattivi.

Le piante di cannabis sintetizzano centinaia di sostanze chimiche note come cannabinoidi che sono usate per scopi medici e ricreativi. Le due molecole più comuni sono il tetraidrocannabinolo (THC) e il cannabidiolo (CBD), che sono farmacologicamente distinti, con il THC che produce effetti psicoattivi caratteristici e il CBD che mostra il potenziale per trattare le convulsioni e molte altre patologie.

La cannabis è l’unica pianta nota per la produzione di tetraidrocannabinolo (THC), ma è una pianta pertanto non è possibile definirla adatta per la produzione della molecola chimica su scala industriale, in quanto si trova normalmente solamente sulle sommità fiorite della pianta note come tricomi, il che significa che la restante parte della pianta di cannabis non può essere utilizzata per questo scopo.

Gli ultimi due millenni hanno visto l’uso della cannabis aumentare molto, e questo ha portato alla coltivazione diffusa della pianta in tutto il mondo. Sebbene la domanda dei principi attivi sia alta, gli attuali metodi di estrazione e isolamento sono costosi, alle volte inefficienti e poco rispettosi dell’ambiente. Scoprire nuovi cannabinoidi  precedentemente sconosciuti è anche impegnativo, poiché si basa sulla scoperta casuale di molecole nelle piante su miliardi che potenzialmente esistono. Tuttavia, i progressi nelle tecnologie di manipolazione genetica e nella biologia sintetica ci permettono di alterare i percorsi di produzione in modo fine. Questo livello di controllo non sarebbe possibile attraverso le tecniche di coltivazione tradizionali, che richiedono diverse generazioni e decine di anni per produrre risultati con un grande costo sia per l’uomo che per le risorse naturali.

L’ingegneria genetica come alternativa più efficiente.

Alcuni ricercatori e società di biotecnologia aspirano a sostituire le piante di cannabis con microrganismi che sono stati geneticamente potenziati per produrre il THC, nota molecola psicoattiva, cannabidiolo (CBD) e una moltitudine di altri cannabinoidi minori, molto interessanti dal punto di vista farmaceutico. Altri mirano a modificare la sintesi chimica nella pianta di cannabis alterando geneticamente le sue cellule per creare le molecole desiderate dalle sommità fiorite, aumentandone così la resa.

In entrambi i casi, l’obiettivo rimane il medesimo: produrre cannabinoidi in modo più economico, efficiente e affidabile rispetto alla coltivazione convenzionale delle piante nelle serre o in campo aperto. Ulteriori vantaggi della sintesi microbica includono la capacità di produrre in serie cannabinoidi rari che di solito sono presenti nelle piante solamente in piccole percentuali. Le piante transgeniche possono anche essere progettate per avere una resistenza superiore ai parassiti e agli stress ambientali.

L’interesse commerciale per questo genere di strategie sta aumentando. L’ingegneria genetica è in grado di  portare le normali pratiche agricole in uso da secoli nell’era della biotecnologia, con conseguenti cambiamenti che si farebbero sentire in tutto il mondo della cannabis. Nella produzione di estratti di cannabis e sue molecole pure, le piante potrebbero essere soppiantate da microbi e una gamma più ampia di cannabinoidi potrebbe diventare disponibile per l’uso in prodotti medici e ricreativi.

Se ciò accadesse, l’iconica foglia di cannabis non rappresenterebbe più la fonte di provenienza dei principi attivi. Al suo posto verrebbe soppiantata da un semplice bioreattore in acciaio inossidabile che potrebbe risultare più adatto allo scopo, anche riducendo enormemente i costi.

Bioproduzione di cannabinoidi e agricoltura

La bioproduzione offrirebbe anche il vantaggio di poter produrre cannabinoidi escludendo tutti i rischi connessi all’agricoltura quali intemperie, ai parassiti e ad altre incertezze ambientali. La produzione in laboratorio risulterebbe anche migliore per l’ambiente perché verrebbe utilizzata minor energia, in quanto un bioreattore consuma meno energia rispetto ad una coltivazione di cannabis indoor.

Probabilmente un altro grande vantaggio derivato dall’uso di piattaforme di biosintesi sarebbe proprio quello di ottenere abbondanti quantità di cannabinoidi minori che di solito si trovano solo in tracce nelle piante di cannabis, ad un costo decisamente molto basso.

Produzione di Cannabinoidi

Molte aziende stanno lavorando per cercare di produrre cannabinoidi tramite l’utilizzo di lieviti, batteri o alghe. Modificando alcuni geni del lievito e inserendo altri dai batteri e dalla pianta di cannabis, una azienda ha creato un organismo in grado di eseguire tutte le reazioni chimiche coinvolte nella produzione di cannabinoidi. Hanno scoperto che è possibile nutrire il lievito semplice zucchero, ha generando basse quantità di THC o CBD inattivi, che possono essere poi convertiti nelle loro forme attive mediante riscaldamento. Sarebbe anche possibile creare molecole di cannabis completamente nuove che potrebbero essere terapeutiche migliori. In ogni caso, far funzionare qualcosa in laboratorio non garantisce il medesimo successo in uno stabilimento di produzione. Trasformare il lievito in fabbriche di cannabinoidi in miniatura pone sfide considerevoli.

Alcuni ricercatori stanno provando ad affrontare la questione mettendo in campo organismi alternativi come i batteri.

Un vantaggio dei batteri rispetto ad altri sistemi cellulari, è che non attaccano gli zuccheri alle proteine che producono allo stesso modo del lievito e di altri organismi con un nucleo chiuso. I batteri secernono anche naturalmente i cannabinoidi dai quali possono essere estratti facilmente. Questo metodo offrirebbe molti vantaggi in termini di velocità di produzione e costi perché consentirebbe una produzione continuata, mentre gli organismi che conservano la loro ricchezza chimica all’interno delle cellule devono essere “craccati” aperti come parte di un sistema di produzione in batch. Un’ulteriore problema nell’utilizzo del lievito per la produzione di cannabinoidi, deriva dal fatto che tali molecole si sono evolute nelle piante come meccanismo di difesa contro insetti, microrganismi e altre minacce biologiche. Ciò significa che le sostanze chimiche desiderate dai ricercatori sono spesso mortali per gli organismi che sono stati progettati per produrle.

Oltre ai vantaggi biologici, la produzione di cannabinoidi in un organismo non convenzionale come un’alga sarebbe molto interessante.

Anziché cercare di forzare la produzione di cannabinoidi nei microrganismi, alcune aziende rimangono salde sulle piante di cannabis, con l’utilizzo di strumenti biotecnologici per dare una spinta al raccolto.

E’ possibile modifcare geneticamente la cannabis?

Sembra sia possibile modificare geneticamente la cannabis per consentirle di produrre cannabinoidi in tutta la pianta e non solo nei fiori e tricomi, per aumentare la resa fornita da ciascuna pianta.

Aziende specializzate nel mondo della cannabis hanno depositato brevetti che coprono i metodi per manipolare la sintesi dei cannabinoidi nelle piante, in modo tale da generare piante di cannabis che producono solo CBD oppure solo CBG.

Alcuni abili coltivatori di cannabis invece hanno creato piante ricche di cannabinoidi minori come CBG o THCV attraverso la selezione genetica selettiva. La modifica attraverso l’ingegneria genetica è probabilmente il modo più semplice per ottenere un fenotipo desiderato. L’ingegneria genetica è anche un potente strumento per sondare la funzione dei geni della cannabis, informazioni che possono quindi essere reinserite in un programma di coltivazione convenzionale.

La bioingegneria della cannabis è in corso. I ricercatori stanno modificando geneticamente le piante per produrre più cannabinoidi e alterare i loro cicli di crescita, con il potenziale per una produzione su larga scala industriale.

Un ostacolo rimane la timidezza dei consumatori riguardo alle colture geneticamente modificate, che potrebbe portare a una sfiducia nei confronti della biosintesi basata sui microrganismi.

Alla gente piace la loro erba e si preoccuperà se i loro cannabinoidi provengono da un lievito geneticamente modificato o da una pianta coltivata sul campo.

Invece la provenienza tecnologica dei cannabinoidi potrebbe non risultare così importante per il settore farmaceutico, dove i consumatori tendono ad essere meno contrari nei confronti dell’ingegneria genetica, anche se probabilmente i cannabinoidi di derivazione biochimica non eguaglieranno mai la sinergia botanica delle centinaia di molecole che si trovano nella cannabis.

È importante conoscere i vantaggi e i limiti della cannabis geneticamente modificata per capire meglio le sue possibilità. L’ingegneria genetica potrebbe fornire alternative più efficienti, ma sarebbe meglio per i pazienti che acquistano marijuana per scopi medici? Sarebbe vantaggioso coltivare questa pianta o sarebbe meglio ottenere i cannabinoidi da altre fonti?

I sostenitori della biotecnologia della cannabis dicono che la pianta è spesso inefficiente nel produrre le molecole di maggior interesse per le compagnie farmaceutiche e i ricercatori. La modifica genetica potrebbe permettere la produzione su scala industriale di cannabinoidi che hanno un potenziale farmaceutico ma che si trovano a bassi livelli nella cannabis, come il THCV (tetraidrocannabivarina) o il cannabigerolo (CBG). L’ingegneria genetica potrebbe anche fornire alternative più efficienti alle tecniche di estrazione attualmente in uso, e porre fine alle preoccupazioni di contaminazione con funghi, batteri o pesticidi.

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