ตัดต่อพันธุกรรมกัญชา เพื่อผลิตสารกัญชา โดยจุลินทรีย์ และการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช

นักวิจัยตรวจสอบ การขยายพันธุ์กัญชา โดยใช้เทคนิคการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช ที่บริษัท Ebbu ตั้งอยู่ใน Evergreen, Colorado. Credit: Helen H. Richardson / The Denver Post / Getty

เป็นที่ทราบกันดีว่า กัญชาเป็นพืชเพียงชนิดเดียวที่สร้างสาร Tetrahydrocannabinol (THC) แต่ในทางอุตสาหกรรม หากจะผลิตสาร THC ให้ได้ปริมาณมากๆ ก็ยังไม่สามารถทำได้หากจะใช้ต้นกัญชาเพียงอย่างเดียว ซึ่งโดยปกติแล้วเราจะพบสาร THC ได้จากการที่กัญชาผลิตในส่วนที่เรียกว่า Trichome ซึ่งก็คือ โครงสร้างคล้ายขนที่อยู่บนก้าน ลำต้น และใบของกัญชา นั่นเอง

พันธุวิศวกรรม ( Genetic engineering) เป็นอีกทางเลือกที่ทำให้การผลิตสาร Cannabinoid (THC และ CBD จัดอยู่ในกลุ่มนี้) มีประสิทธิภาพเพิ่มมากขึ้น นักวิจัยและบริษัทด้านเทคโนโลยีชีวภาพบางแห่ง มีวิธีการเพิ่มผลผลิต ดังนี้

1. เปลี่ยนการผลิตสาร Cannabinoid จากเดิมที่ผลิตจากต้นกัญชาเป็นการผลิตด้วยจุลินทรีย์เพื่อเพิ่มการผลิตสาร Cannabinoid รวมไปถึงสาร Cannabidiol (CBD) และสาร THC
2. การตัดแต่งพันธุกรรมต้นกัญชาเพื่อทำให้เซลล์สามารถเพิ่มการสร้าง THC และสาร Cannabinoid อื่นๆ

ไม่ว่าจะวิธีใดก็มีเป้าหมายเดียวกันคือการผลิตสาร Cannabinoid ให้ได้ปริมาณมากๆและราคาถูก มีประสิทธิภาพ และมีความน่าเชื่อถือมากกว่าการปลูกในโรงเรือนหรือฟาร์มของเกษตรกร ในส่วนของการใช้จุลินทรีย์ในการผลิตจะมีประโยชน์เพิ่มเติมคือ สามารถสร้างหรือสังเคราะห์สาร cannabinoid ที่หายาก (Rare Cannabinoid) หรือแม้แต่โมเลกุลที่ไม่พบในธรรมชาติ ซึ่งพบในบางสายพันธุ์ของต้นกัญชา ส่วนการตัดแต่งพันธุกรรมของต้นกัญชาจะช่วยให้ต้นกัญชาทนต่อศัตรูพืชและสิ่งแวดล้อมที่ไม่เอื้อต่อการเจริญของต้นกัญชา (Environmental Stress)

วิธีการทางพันธุวิศวกรรมกำลังเป็นที่สนใจในเชิงพาณิชมาก ยกตัวอย่างเช่น ในปี 2561 บริษัท Canopy Growth Corporation ใน Canada ซึ่งเป็น บริษัทกัญชาที่ใหญ่ที่สุดในโลก จ่ายเงินกว่า 300 ล้านดอลลาร์สหรัฐ เป็นเงินสดและหุ้นเพื่อซื้อบริษัท Ebbu ซึ่งเป็นบริษัทเล็ก ๆ ในรัฐโคโลราโดที่มีวิธีการจัดการจีโนมของกัญชาด้วยระบบแก้ไขยีน CRISPR — Cas9 และในเดือนเมษายน Zenabis บริษัทผู้ผลิตกัญชาในแวนคูเวอร์ประเทศแคนาดา ตกลงซื้อ CBD ที่ผลิตจากแบคทีเรียบริสุทธิ์จำนวน 36 ตัน จากบริษัท Farmako ในแฟรงก์เฟิร์ตประเทศเยอรมนีซึ่งเป็น บริษัทแรกที่ผลิตกัญชาสังเคราะห์ทางชีวภาพ (Biosynthetic cannabinoid)

ปัจจุบัน CBD คุณภาพสูง ที่ผลิตจากต้นกัญชาขายราคาส่งกันอยู่ที่ กิโลกรัมละ ประมาณ 150,000 บาท (5,000$) ในปี 2561 การซื้อขาย CBD ที่ผลิตจากยีสต์ระหว่างบริษัท Ginkgo Bioworks บริษัทในบอสตันและ Cronos Group บริษัทในโตรอนโต ซื้อขายกันในราคาต่ำกว่า 32,000 บาท (1,000$) ต่อกิโลกรัมในยีสต์ (ยังไม่ได้สกัดออกจากยีสต์) และมีกว่า 18 บริษัทที่ผลิต Cannabinoid โดยใช้จุลินทรีย์เช่น ยีสต์ แบคทีเลีย และสาหร่าย ซึ่งแต่ละบริษัทก็ถือครองสิทธิบัตรการผลิตนั้นไว้ด้วย

การจะรักษาสภาพของต้นกัญชาให้ให้ได้ผลผลิตได้อย่างต่อเนื่องเป็นเรื่องยากมาก ซึ่งคล้ายกับพืชชนิดอื่น ซึ่งขึ้นอยู่กับสภาพอากาศและความไม่แน่นอนของสภาพแวดล้อมอื่นๆ การผลิตสาร Cannabinoid ในห้องปฏิบัติการในผลดีต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า เพราะ ใช้พลังงานในการจ่ายไฟฟ้าให้กับเครื่องบ่มชีวภาพน้อยกว่าการเลี้ยงในโรงเรือนหรือการปลุกกัยชาในที่ร่ม ที่ต้องจ่ายไฟฟ้าให้กับหลอดไฟที่ให้แสงสว่าง และพัดลมที่ใช้ถ่ายเทอากาศ นอกจากนี้การผลิตในห้องปฏิบัติการยังสามารถช่วยให้หลีกเลี่ยงมลพิษทางน้ำและดินได้ด้วย และบางทีการผลิตสาร Cannabinoid ในห้องปฏิบัติการยังมีข้อได้เปรียบที่สำคัญคืออาจจะค้นพบสาร Cannabinoid อื่นๆมากขึ้นด้วย

บริษัท Cronos ได้แยกโมเลกุลของสารประกอบที่สำคัญในกัญชา ซึ่งมีสารสำคัญคือ

1. สาร Cannabichromene เป็น Rare Cannabinoid ที่มีคุณสมบัติช่วยต้านการอักเสบ ( Anti-inflammatory)
2. สาร Cannabigerol (CBG) ซึ่งเป็นสารตั้งต้นของ THC และ CBD ที่มีศักยภาพในการปกป้องโมเลกุลที่สร้างความเสียหายภายในเซลล์ของต้นกัญชา
3. สาร Tetrahydrocannabivarin (THCV) เป็นสารที่ช่วยระงับความอยากอาหาร (Appetite-suppressing) และใช้รักษาโรคอ้วนได้ รวมถึงช่วยให้คนที่ลดความอ้วนและกินอาหารน้อย รู้สึกผ่อนคลายจากความหิวลงได้

ผลึกของน้ำมันกัญชาบริสุทธิ์ Credit: Helen H. Richardson/The Denver Post/Getty

งานวิจัยของ Keasling และคณะ ได้ทำการตัดแต่งพันธุกรรมของยีสต์ Saccharomyces cerevisiae โดยทำการตัดแต่งยีน (Gene) บางส่วนของยีสต์และเติมยีนของแบคทีเรียและยีนของต้นกัญชาเข้าไป และทำให้ยีสต์ผลิตสารเคมที่เกี่ยวข้องกับการผลิต Cannabinoid การให้น้ำตาลแก่ยีสต์ในปริมาณต่ำจะทำให้ยีสต์ผลิตสาร THC และ CBD ออกมาแต่ยังเป็นสารที่ยังใช้งานไม่ได้ (Inactive THC or CBD) ซึ่งจะต้องกระตุ้นด้วยความร้อนถึงจะเปลี่ยนเป็น THC และ CBD ที่บริสุทธิ์ แต่ด้วยความที่ Enzyme ใน Cannabinoid partway นั้นค่อนข้างมีหลากหลายและทำปฏิกิริยากับ Cannabinoid นักวิจัยจึงได้ทำการนำ Cannabinoid ไปรวมกับกรดไขมัน เพื่อทำให้ Cannabinoid บริสุทธิ์และมีประสิทธิภาพมากขึ้น

การเปลี่ยนยีสต์ให้กลายเป็นโรงงานผลิตกัญชา มีความท้าทายอย่างมาก อย่างไรก็ตามงานวิจัยของ Keasling ก้ยังไม่สามารถใช้งานได้ทั้งหมด เนื่องจากประสิทธิภาพของวิธีการผลิตที่ยังไม่แน่นอนและต้นทุนการผลิตที่ต้องทำให้น้อยกว่าการสกัดจากต้นกัญชาในปัจจุบันด้วย

ในระยะ 10 ปีที่ผ่านมา มีนักวิจัยสามารถแยกเอนไซม์ Prenyltransferase ซึ่งเป็นเอนไซม์จำเป็นสำหรับการผลิต CBG และเมื่อ Keasling นำมาใส่ในวิธีการของตัวเองเพื่อทำให้ยีสต์ผลิต CBG แต่ก็ยังไม่สำเร็จ อย่างไรก็ตาม Keasling ได้สืบค้นข้อมูลจากการแสดงออกของยีน (Gene-expression) และพบ Alternative prenyltransferase ที่อยู่ในกัญชา และได้นำมาใส่ในยีสต์เพื่อผลิต CBG และ อนุพันธ์ของ CBG

นักวิจัยบางคนเผชิญกับความท้าทายของเอนไซม์ใน S. cerevisiae เลยเลือกที่จะเปลี่ยนไปใช้จุลินทรีย์ชนิดอื่น นักวิศกรรมชีวภาพชื่อ Oliver Kayser หันมาใช้ยีสต์สายพันธุ์ที่เรียกว่า Komagataella phaffii แทน (B. Zirpel et al. J. Biotechnol. 259, 204–212; 2017)

นอกจากยีสต์แล้วยังมีการใช้จุลินทรีย์ชนิดอื่นในการผลิตสาร Cannabinoid เช่น แบคทีเรียชื่อ Escherichia coli (E. coli) โดยนักวิศกรรมเคมีที่ชื่อว่า Vikramaditya Yadav งานวิจัยของเขาใช้แบคทีเรียเนื่องจาก ตัวแบคทีเรียเป็นสิ่งมีชวิตที่มีน้ำตาลอิสระ ไม่ได้อยู่ในรูปของน้ำตาลจับกับโปรตีน เหมือนของยีสต์ ทำให้รอดพ้นจากการย่อยของเอนไซม์ที่เป็นตัวขัดขวางการสร้าง Cannabinoid (B. Zirpel et al. J. Biotechnol. 284, 17–26; 2018)

แบคทีเรียสามารถปล่อยสาร Cannabinoid ทีผลิตได้ออกนอกเซลล์ของตัวเองทำให้การสกัดง่าย ไม่ต้องไปเพิ่มวิธีการทไให้เซลแตก ซึ่งจะช่วยให้ลดต้นทุนและเวลาได้

สิ่งที่ต้องระวังในการใช้ยีสต์หรือแบคทีเรียคือ ความเป็นพิษของ Cannabinoid เนื่องจากโดยธรรมชาติแล้วสาร Cannabinoid ถูกผลิตเพื่อใช้ในการต้านแมลง จุลินทรีย์ ซึ่งจะทำให้จุลินทรีย์ที่ใช้ในการสร้างสาร Cannabinoid ตายไปด้วย

บริษัท Farmako หันมาใช้ Zymomonas mobilis ซึ่งเป็นแบคทีเรียที่ใช้ในการผลิต เหล้า Tequila นักชีววิทยาด้านโมเลกุลและ Patrick Schmitt ผู้ร่วมก่อตั้ง Farmako กล่าวว่า จุลินทรีย์นี้มีภูมิคุ้มกันต่อพิษของกัญชา แม้ว่าจะไม่แน่ชัดว่าทำไม ในขณะเดียวกันนักวิจัยที่ Renew Biopharma ในแคลิฟอร์เนีย กำลังทำวิจัยกับ Chlamydomonas reinhardtii ซึ่งเป็นสาหร่ายสีเขียว ที่สังเคราะห์ Cannabinoid ในคลอโรพลาสต์ (Chloroplasts) ซึ่งส่วนที่เหลือของเซลล์จะถูกป้องกันจากพิษของ Cannabinoid

เราได้เห็นการใช้จุลินทรีย์ช่วยผลิตสาร Cannabinoid การไปแล้ว ก็ใช่ว่าจะมีแต่คนทำแบบนั้น ยังมีคนที่ใช้วิธีการปลูกต้นกัญชาและเพิ่มประสิทธิภาพด้วยการปรับปรุงพันธ์ุ และใช้เครื่องมือทางเทคโนโลยีชีวภาพเพื่อให้ได้ผลผลิตดีขึ้น มีการเพิ่ม yield ในส่วนอื่นๆของต้นกัญชาไม่ใช่แค่ส่วน Trichome เท่านั้น นอกจากนี้ยังใส่เอนไซม์ เพื่อทำให้ Cannabinoid มีพิษน้อยลงและทำให้โมเลกุลน้ำมันกัญชาละลายในน้ำได้อีกด้วย คุณสมบัติในการละลายน้ำทำให้น้ำมันกัญชาสามารถใช้ผสมกับอาหารและเครื่องดื่มได้

Robert Roscow ผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยทางพันธุกรรมของบริษัท Ebbu ได้ยื่นสิทธิบัตรที่ครอบคลุมวิธีการการสังเคราะห์ cannabinoid ในพืช เขาใช้วิธีการแก้ไขยีน CRISPR — Cas9 เพื่อลบเอนไซม์บางตัวใน Pathway การสังเคราะห์ cannabinoid ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตสาร THC ทำให้เขาสามารถสร้างต้นกัญชาที่ผลิตแต่ CBD เท่านั้น และด้วยการตั้งเป้าให้เอนไซม์ยับยั้งสารสร้างทั้ง THC และ CBD เขาได้ผลิตพืชที่หลั่งแต่ CBG เพียงอย่างเดียวได้อีกด้วย

ผู้ปลูกกัญชาที่มีฝีมือบางคน ได้สร้างกัญชาที่ผลิต Minor Cannabinoids เช่น CBG หรือ THCV ผ่านการคัดเลือกพันธุ์เพียงอย่างเดียว แต่นั่นอาจเป็นกระบวนการที่ยากลำบากมาก

สำหรับผู้บริโภคยังคงไม่มั่นใจในการบริโภคกัญชาที่มาจากจุลินทรีย์เนื่องจากยังคงต้องการกัญชาที่ได้มาจากการปลูกต้นกัญชาอยู่ แต่ในด้านการแพทย์และเภสัชยังถือว่าได้รับการยอมรับมากเลยทีเดียว เพราะให้ผลผลิตสูงแต่ต้นทุนต่ำ

ที่มา https://www.nature.com/articles/d41586-019-02525-4