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Le cannabis est la seule plante connue pour produire du tétrahydrocannabinol (THC), mais il reste un vase imparfait pour la production du produit chimique à l'échelle industrielle. La substance psychoactive ne se trouve normalement que dans de petites excroissances de la plante appelée trichomes, ce qui signifie que sa tige, ses tiges et ses feuilles sont une biomasse gaspillée.
Le génie génétique pourrait fournir des alternatives plus efficaces. Certains chercheurs et sociétés de biotechnologie aspirent à remplacer les plantes de cannabis par des microorganismes génétiquement améliorés afin de recracher le THC, le composé non psychoactif cannabidiol (CBD) et une myriade d’autres cannabinoïdes d’intérêt pharmaceutique. D'autres cherchent à modifier la synthèse chimique de la plante de cannabis en modifiant génétiquement ses cellules pour produire les molécules souhaitées de bout en bout, augmentant ainsi le rendement.
Dans les deux cas, l’objectif est le même: produire des cannabinoïdes de façon plus économique, efficace et fiable que la culture classique de plantes en serre ou dans les champs des agriculteurs. Les autres avantages de la synthèse microbienne incluent la capacité de produire en masse des cannabinoïdes rares généralement présents dans les plantes en quantités infimes, voire des molécules non trouvées dans la nature. Les plantes transgéniques peuvent également être conçues pour une résistance supérieure aux parasites et aux stress environnementaux.
L'intérêt commercial pour ces stratégies s'accroît. En 2018, par exemple, Canopy Growth Corporation, à Smiths Falls, au Canada – la plus grande société de cannabis légale au monde – a versé plus de 300 millions USD en espèces et en actions pour acquérir Ebbu, une petite société établie à Evergreen, au Colorado, qui des premières plates-formes de manipulation du génome du cannabis avec le système d’édition de gènes CRISPR – Cas9. Et en avril, Zenabis, un producteur de cannabis basé à Vancouver, au Canada, a accepté d’acheter 36 tonnes de CBD presque purement bactérienne à la société de cannabis médical Farmako à Francfort, en Allemagne – le premier accord du genre concernant des cannabinoïdes biosynthétiques.
David Kideckel, analyste du cannabis au sein de la société de services financiers AltaCorp Capital, à Toronto, au Canada, décrit le génie génétique comme un "perturbateur" qui promettra d'introduire une pratique agricole séculaire dans l'ère de la biotechnologie, avec des répercussions en résultant sur le cannabis. secteur mondial. Lorsqu’il s’agit de produire des extraits de cannabis, les plantes pourraient être supplantées par des microbes et une gamme plus étendue de cannabinoïdes pourrait devenir disponible pour une utilisation dans des produits médicaux et de loisirs.
Si cela se produit, la feuille de cannabis emblématique ne représenterait plus avec exactitude la provenance des ingrédients actifs. Au lieu de cela, un bioréacteur en acier inoxydable pourrait être plus approprié.
Cuisiner des cannabinoïdes
L’attrait de creuser des serres pour les bioréacteurs s’attache en partie au coût. Actuellement, 1 kilogramme de CBD de haute qualité extrait d’usines se vend à un prix de gros supérieur à 5 000 dollars. Un accord conclu en 2018 entre Ginkgo Bioworks, une société de biologie synthétique à Boston, dans le Massachusetts, et Cronos Group, un producteur de cannabis basé à Toronto, décrit un plan visant à fabriquer du CBD pur et d’autres cannabinoïdes à un prix inférieur à 1 000 $ le kg de levure.
La biofabrication offre également un niveau de cohérence impossible à reproduire dans les plantes qui, comme la plupart des produits agricoles, sont soumises aux intempéries, aux parasites et à d’autres incertitudes environnementales. La production en laboratoire est également meilleure pour l'environnement, car un bioréacteur nécessite moins d'énergie que les ventilateurs de culture et les ventilateurs d'une installation de culture de cannabis en intérieur. La pollution de l’eau et la destruction des terres qui y est associée peuvent également être évitées.
Cependant, le principal avantage de la cuisson des cannabinoïdes dans les fermenteurs réside dans la possibilité de brasser de grandes quantités de cannabinoïdes moins connus qui ne se trouvent généralement qu’en quantités infimes dans les plantes de cannabis.
«Les gens sont tellement concentrés sur les deux grands – THC et CBD – que nous en quelque sorte oublions qu'il existe potentiellement d'autres composés vraiment utiles dans l'usine», déclare Tony Farina, responsable scientifique de la société de biologie synthétique Librede à Carlsbad, Californie . "C’est la direction dans laquelle nous devrions vraiment utiliser cette plateforme de biosynthèse."
Cronos a distingué quelques molécules d'intérêt particulier. Il s'agit notamment du cannabichromène, un cannabinoïde rare aux propriétés anti-inflammatoires, et du cannabigérol (CBG), un précurseur chimique du THC et du CBD susceptible de protéger les plantes de cannabis des molécules induisant des dommages dans les cellules. La société figure également en tête de la variante du tétrahydrocannabivarine (THCV) qui supprime l’appétit. Ce cannabinoïde a un potentiel médical chez les personnes atteintes de troubles de la surconsommation compulsive et le THCV pourrait intéresser les utilisateurs récréatifs de cannabis qui apprécient les effets intoxicants de la drogue mais qui préféreraient éviter ses propriétés induisant la faim.
«Il offre le même effet euphorique que le THC, mais sans le grignotage», déclare le directeur général de Cronos, Mike Gorenstein.
Au moins 18 entreprises sont en compétition pour produire des cannabinoïdes dans la levure, les bactéries ou les algues. Bien que chaque acteur du secteur ait une approche exclusive, il s’agit de variations du livre de base décrit plus tôt cette année par le biologiste synthétique Jay Keasling de l’Université de Californie à Berkeley ().
Keasling et ses collègues ont introduit une série de modifications génétiques dans la levure Saccharomyces cerevisiae. En peaufinant certains gènes de levure et en en introduisant d'autres de bactéries et de la plante de cannabis, l'équipe a créé un organisme capable de mener à bien toutes les réactions chimiques impliquées dans la production de cannabinoïdes. L'alimentation de la levure avec un sucre simple a généré de faibles quantités de THC ou de CBD inactif, qui peuvent être converties en leurs formes actives par chauffage.
Parce que les enzymes de la voie des cannabinoïdes sont «un peu bâclées», comme le dit Keasling, l'équipe pourrait également introduire des acides gras que la levure incorporerait dans les cannabinoïdes. Cela a engendré des variantes de THC et de CBD qui ne se trouvent pas dans la nature. «Nous avons créé des molécules entièrement nouvelles qui pourraient constituer de meilleurs traitements», explique Keasling.
Aux rendements indiqués, la plateforme de Keasling n’est pas prête pour le prime time. Des améliorations considérables de l’efficacité de la levure et du protocole de fermentation sont nécessaires pour que l’approche biosynthétique soit compétitive par rapport aux cannabinoïdes extraits de plantes. Demetrix à Emeryville, en Californie – une société cofondée par Keasling qui a obtenu un financement de plus de 60 millions de dollars, faisant de cette entreprise en démarrage la mieux financée consacrée à la production de cannabinoïdes en laboratoire – poursuit le développement de la technologie. Le directeur de Demetrix, Jeff Ubersax, a déclaré que son équipe avait augmenté le rendement en cannabinoïdes de «plusieurs ordres de grandeur».
Mais de nombreuses entreprises ont présenté des revendications similaires à La nature qui, sans données vérifiables, ne peut pas être justifié. Même s’ils sont vrais, travailler dans un laboratoire ne garantit pas le succès d’une usine de fabrication, déclare Stephen Payne, directeur général de Maku Technologies, une jeune entreprise établie à Durham, en Caroline du Nord. Maku se concentre sur la fabrication de rares cannabinoïdes naturels dans la levure. «Au cours de mes années dans l’industrie de la biologie synthétique, j’ai vu des choses fonctionner à petite échelle qui n’ont aucune chance d’atteindre des niveaux industriels», dit Payne.
Catalyser le succès
Transformer la levure en usines miniatures de cannabinoïdes pose des défis considérables. Bien que le protocole de Keasling implique 16 modifications génétiques, l’efficacité globale de la procédure se résumait à un seul goulot d’étranglement.
Le log-jam impliquait une enzyme nécessaire à la production de CBG. Les chercheurs ont caractérisé l'enzyme, connue sous le nom de prényltransférase, dans une souche de cannabis médical, il y a environ 10 ans. Au début, Keasling avait essayé d’utiliser cette enzyme dérivée du cannabis dans la levure, mais cela n’avait pas fonctionné: la levure ne produisait pas de CBG.
Après avoir fouillé dans des bases de données sur l’expression des gènes, Keasling a découvert une alternative de prényltransférase codée par une autre variété de cannabis. Il a introduit cela dans la levure et toutes les pièces se sont mises en place pour fabriquer du CBG et ses dérivés.
Certains chercheurs ont été confrontés au même défi enzymatique S. cerevisiae et choisi de passer à des organismes alternatifs. Le bioingénieur Oliver Kayser et ses collègues de l’Université technique de Dortmund, en Allemagne, se sont tournés vers une espèce de levure appelée Komagataella phaffii ()
D'autres ont complètement éliminé la levure. Vikramaditya Yadav, ingénieur chimiste à l'Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, a commencé à travailler dans une bactérie. Il collabore avec InMed Pharmaceuticals, une société basée à Vancouver, pour produire des cannabinoïdes en Escherichia coli.
Selon M. Yadav, l’un des avantages des bactéries par rapport aux autres systèmes à base de cellules est qu’elles ne fixent pas les sucres aux protéines qu’elles produisent de la même manière que la levure et les autres organismes à noyau fermé. Ces ornements en sucre peuvent limiter l’activité des enzymes cruciales pour la voie des cannabinoïdes – du moins dans K. phaffii, comme l’a montré l’équipe de Kayser () – ce qui entraîne une baisse des rendements.
Les bactéries sécrètent aussi naturellement les cannabinoïdes qu'elles produisent dans le milieu environnant, d'où elles peuvent être extraites facilement. Ce phénomène offre des avantages en termes de rapidité et de coût car il permet une fabrication en continu, alors que les organismes qui conservent leur richesse chimique à l’intérieur des cellules doivent être «fissurés» et ouverts dans le cadre d’un système de production par lots. Les levures ne sécrètent généralement pas de protéines, mais les chercheurs de Librede et d'ailleurs affirment avoir introduit cette fonction dans l'organisme.
Un autre défi pour utiliser soit la levure ou E. coli est la toxicité des cannabinoïdes. Ces molécules ont évolué dans les plantes en tant que mécanisme de défense contre les insectes, les micro-organismes et d'autres menaces biologiques. Cela signifie que les produits chimiques souhaités par les chercheurs sont souvent mortels pour les organismes conçus pour les fabriquer.
À Farmako, qui a annoncé en juillet que son équipe de recherche sur la biosynthèse serait fusionnée pour former une nouvelle société de biotechnologie, les scientifiques se sont donc tournés vers Zymomonas mobilis, une bactérie utilisée dans la production de tequila. Selon le biologiste moléculaire et cofondateur de Farmako, Patrick Schmitt, qui devrait diriger la société dérivée, ce micro-organisme est immunisé contre la toxicité des cannabinoïdes – bien que la raison ne soit pas claire. Pendant ce temps, les chercheurs de Renew Biopharma à San Diego, en Californie, travaillent dans Chlamydomonas reinhardtii, une algue verte qui compartimente sa synthèse de cannabinoïdes dans les chloroplastes. Ce faisant, le reste de la cellule est protégé des molécules toxiques.
Outre les avantages biologiques, la production de cannabinoïdes dans un organisme non conventionnel tel qu'une algue a un sens commercial, car cette approche est exclusive, explique Michael Mendez, fondateur et directeur général de Renew Biopharma. “La propriété intellectuelle va régner dans cet espace”, dit-il. Et comme le souligne Jeremy de Beer, professeur de droit à l’Université d’Ottawa, qui a étudié les brevets relatifs au cannabis, «nous sommes en quelque sorte en ruée vers la propriété intellectuelle».
Déjà, l’Office américain des brevets et des marques commerciales protégeait l’utilisation de la levure par Librede pour la synthèse de cannabinoïdes à partir de sucres. D'autres brevets ont suivi, notamment celui qui a été accordé à Teewinot Life Sciences à Tampa, en Floride, pour un bioréacteur conçu pour cultiver des microorganismes produisant des cannabinoïdes. Les batailles juridiques pourraient ne pas être loin derrière (voir «La situation délicate des brevets de Pot»). «Il ne sera pas du tout étonnant, alors que les recettes provenant des ventes de cannabis augmentent, que les mesures de protection liées aux brevets augmentent de manière similaire», a déclaré Stephen Hash, avocat en brevets chez Baker Botts à Austin, au Texas. "Cela ira de pair."
Fermement plantés
Plutôt que d'essayer de forcer la production de cannabinoïdes dans les microorganismes, certaines entreprises s'en tiennent aux plantes de cannabis, mais utilisent des outils biotechnologiques pour stimuler la culture.
Trait Biosciences à Toronto utilise du cannabis génétiquement modifié pour lui permettre de produire des cannabinoïdes dans l’ensemble de la plante, et pas seulement dans les trichomes, afin d’accroître le rendement de chaque plante. La société a également ajouté des enzymes qui rendaient les cannabinoïdes moins toxiques et rendaient les molécules habituellement grasses solubles dans l’eau.
«C’est un avantage secondaire dont nous nous sommes vite rendu compte que c’était peut-être aussi important, sinon plus, que l’augmentation du rendement», déclare Richard Sayre, responsable scientifique de Trait. «Maintenant qu’ils sont solubles dans l’eau, nous pouvons essentiellement appuyer sur la plante, comme avec la canne à sucre, pour extraire le jus et récupérer les cannabinoïdes.»
La solubilité dans l’eau ouvre également la possibilité de créer de nouveaux types de boissons ou de produits comestibles à base de cannabis. «C’est un produit insipide et inodore, il peut donc être mélangé dans diverses applications», explique Sayre.
Chez Ebbu, le directeur de la recherche génétique, Robert Roscow, a déposé des brevets couvrant des méthodes de manipulation de la synthèse de cannabinoïdes chez les plantes. Il utilise l’édition de gènes CRISPR – Cas9 pour supprimer certaines enzymes de la voie de synthèse des cannabinoïdes qui sont impliquées dans la production de THC. Cela lui a permis de générer des plantes de cannabis ne produisant que du CBD. Et en ciblant les enzymes impliquées dans la synthèse du THC et du CBD, il a produit des plantes ne sécrétant que du CBG.
Certains producteurs de cannabis qualifiés ont créé des plantes riches en cannabinoïdes mineurs tels que le CBG ou le THCV par le biais de la sélection sélective, mais cela peut être un processus laborieux et difficile. «La modification par génie génétique est probablement le moyen le plus simple d'obtenir le phénotype souhaité», a déclaré Igor Kovalchuk, biotechnologiste des plantes à l'Université de Lethbridge, au Canada, et cofondateur de la société de génomique du cannabis InPlanta Biotechnology, également à Lethbridge.
Le génie génétique est également un outil puissant pour sonder la fonction des gènes du cannabis – des informations qui peuvent ensuite être intégrées dans un programme de sélection plus conventionnel. Mais au-delà du laboratoire, Kovalchuk a déclaré: "Je ne crois pas que le cannabis génétiquement modifié ait un avenir pour les années à venir."
Un des obstacles reste la rigueur des consommateurs face aux cultures génétiquement modifiées, ce qui pourrait entraîner une méfiance vis-à-vis de la biosynthèse à base de microorganismes. «Les gens aiment leur mauvaise herbe et se soucient de savoir si leurs cannabinoïdes proviennent d'une levure génétiquement modifiée ou d'une plante cultivée en plein champ», a déclaré Jordan Zager, cofondateur et directeur de Dewey Scientific, une société de biotechnologie du cannabis basée à Pullman, Washington .
La provenance technologique des cannabinoïdes n’est peut-être pas aussi importante pour le secteur pharmaceutique, où les consommateurs ont tendance à être moins opposés au génie génétique. Mais selon Ethan Russo, directeur de la recherche et du développement à l'Institut international du cannabis et des cannabinoïdes de Prague, les cannabinoïdes biochimiquement dérivés, même mélangés et combinés dans des formulations thérapeutiques, n'égaleront probablement jamais la synergie botanique des centaines de molécules présentes dans cannabis.
L’existence de cet effet «d’entourage» est. Mais pour Russo, "l’usine est le design de la nature pour cette panoplie de produits chimiques".
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