Biosynthesis of cannabinoids by heterologous expression in microorganisms downstream development and in silico sensitivity analysis of metabolic pathways

Abstract

Resumo: O mercado legal de cannabis internacional está enfrentando novos desafios em relação à inovação na produção de drogas à base de canabinoides. A produção tradicional de canabinoides envolve o cultivo de Cannabis sativa L. ao ar livre ou estufas com condições de crescimento controladas, seguidas por etapas de isolamento e purificação. Este processo é limitado pelos ciclos de crescimento da planta, onde o teor de canabinoides pode variar profundamente a cada colheita. Como alternativa, a produção de canabinoides por fermentação é uma nova abordagem que vem ganhando a atenção da indústria por não envolver o cultivo de plantas. A partir de leveduras e bactérias recombinantes, pesquisadores estão reproduzindo as vias biossintética para gerar canabinoides, como (-)-D9-tetrahidrocanabinol (D9-THC), canabidiol (CBD) e (-)-D9-tetrahidrocanabivarin (D9-THCV). Essa abordagem evita pesticidas e o uso de recursos naturais, como água, terra e energia, é reduzido. Em comparação ao cultivo de cannabis, a fermentação é um processo muito mais rápido, embora tenha limitações relativas à ampla gama fitoquímica de moléculas naturalmente presentes na cannabis. Até o momento, não há um processo consolidado para a produção de canabinoides por via fermentativa, sendo um conceito emergente e promissor para países onde o cultivo de Cannabis sativa L. é ilegal. Esta pesquisa discute as técnicas e microrganismos já estabelecidos e associados à produção microbiana de canabinoides, explorando vantagens e limitações sobre vias metabólicas, toxicidade e recuperação de canabinoides ao longo da produção heteróloga. Potenciais aplicações terapêuticas de canabinoides e metodologia in silico para otimização de vias metabólicas também são exploradas. Além disso, esta pesquisa propõe uma análise conceitual para ilustrar a recuperação e purificação de canabinoides através do processo de fermentação, e uma análise de patentes é apresentada a fim de fornecer o estado da arte da transferência de conhecimento da esfera científica à aplicação industrial.

Abstract: The legal cannabis market worldwide is facing new challenges regarding innovation in the production of cannabinoid-based drugs. The usual cannabinoid production involves growing Cannabis sativa L. outdoor or in dedicated indoor growing facilities, followed by isolation and purification steps. This process is limited by the growth cycles of the plant, where the cannabinoid content can deeply vary from each harvest. A game change approach that does not involve growing a single plant has gained the attention of the industry: cannabinoids fermentation. From recombinant yeasts and bacteria, researchers are being able to reproduce the biosynthetic pathway to generate cannabinoids, such as (-)-D9-tetrahydrocannabinol (D9-THC), cannabidiol (CBD), and (-)-D9-tetrahydrocannabivarin (D9-THCV). This approach avoids pesticides, and natural resources such as water, land, and energy are reduced. Compared to growing cannabis, fermentation is a much faster process, although its limitation regarding the phytochemical broad range of molecules naturally present in cannabis. So far, there is not a consolidated process for this brand-new approach, being an emerging and promising concept for countries in which cultivation of Cannabis sativa L. is illegal. This survey discusses the techniques and microorganisms already established to accomplish the task and those yet in seeing for the future, exploring upsides and limitations about metabolic pathways, toxicity, and downstream recovery of cannabinoids throughout heterologous production. Therapeutic potential applications of cannabinoids and in silico methodology toward optimization of metabolic pathways are also explored. Moreover, a conceptual downstream analysis is proposed to illustrate the recovery and purification of cannabinoids through the fermentation process, and a patent landscape is presented to provide the state-of-the-art of the transfer of knowledge from the scientific sphere to the industrial application.