Forscher des Guangdong Technion-Israel Institute of Technology und des Technion-Israel Institute of Technology haben die Hefe Yarrowia lipolytica durch metabolische Umprogrammierung zu einer effizienten Plattform für die de-novo-Biosynthese medizinisch relevanter Cannabinoide gemacht. Die Studie, veröffentlicht in BioDesign Research, erreicht erstmals skalierbare Produktion von Verbindungen wie Cannabigerolsäure (CBGA), Orsellinsäure (OSA) und Cannabigerorcinic Acid (CBGOA) ohne Abhängigkeit von Pflanzenanbau. Dies ebnet den Weg für klimaneutrale, industrielle Herstellung pharmazeutisch wertvoller Substanzen.
Cannabinoide modulieren das Endocannabinoid-System und regulieren Prozesse wie Gedächtnis, Stressreaktion, Appetit und Immunsignale. CBD ist klinisch etabliert, etwa in Epidiolex® gegen Epilepsie; CBGA zeigt in präklinischen Tests antikonvulsive, metabolische und antivirale Effekte, inklusive gegen SARS-CoV-2. Bisherige pflanzliche Produktion leidet unter Ertragsschwankungen, Klimarisiken und hohen Extraktionskosten. Mikrobielle Systeme wie Saccharomyces cerevisiae lieferten moderate Ausbeuten, doch Y. lipolytica übertrifft sie durch hohen Acetyl-CoA- und Malonyl-CoA-Fluss, Wachstum auf günstigen Substraten und erweiterte Membranräume für komplexe Enzyme. Als GRAS-organismus eignet sie sich ideal für biotechnologische Anwendungen.
Das Team setzte eine schrittweise Strategie um: Bottlenecks in der Polyketid-Synthese für Olivetolsäure (OLA) wurden durch Integration des PpLvaE-Enzyms aus Pseudomonas putida, multiple Genkassetten und optimierte Fütterung beseitigt. DGA1-Knockout und ylACC1-Überexpression steigerten Malonyl-CoA, OLA erreichte 6,73 mg/L. Der Isoprenoid-Weg wurde mit MVA-Boostern und GPP-optimierten ERG20-Mutanten verstärkt. Prenyltransferase-Limitierungen überwanden Kopienamplifikation von CsPT4, subzelluläre Lokalisierung und Ko-Expression von NphB-Mutanten in kondensatartigen Strukturen. CBGA-Titer stiegen auf 2,85 mg/L, mit OLA-Supplementation und ERG7-Inhibition auf 15,7 mg/L – Höchstwert in Y. lipolytica. Der nicht-kanonische Polyketid-Synthase ArmB aus Armillaria mellea ermöglichte OSA bis 18,87 mg/L in Fed-Batch; CBGOA als CBD-C1-Analogon erreichte 541 ?g/L.
Diese Integration von Vorläuferoptimierung, Enzym-Koassembly und Pfaderweiterung etabliert Y. lipolytica als vielseitiges Chassis für nachhaltige Cannabinoid-Produktion. Die Arbeit markiert Meilensteine in der de-novo-Synthese und eröffnet Anwendungen in Pharmazie und Biotechnologie, unabhängig von Agrarbedingungen. Gefördert durch chinesische und israelische Stiftungen, könnte sie die Verfügbarkeit therapeutischer Cannabinoide revolutionieren und breitere metabolische Engineering-Strategien inspirieren. Weitere Skalierungsstudien in industriellen Fermentern sind geplant.
