Um novo estudo identificou 227 terpenos na maconha e mapeou os genes que ajudam a determinar por que diferentes cultivares desenvolvem seus próprios aromas e perfis de terpenos distintos.
O estudo, publicado na Acta Pharmaceutica Sinica B, combinou sequenciamento genético, medições de terpenos, análise de expressão gênica e testes laboratoriais de enzimas individuais. Os pesquisadores afirmam que o trabalho fornece o mapa funcional mais abrangente até o momento do sistema de terpeno sintase na Cannabis sativa.
Os terpenos são compostos aromáticos responsáveis por grande parte do aroma característico da maconha, que varia de cítricos e pinho a aromas florais, picantes e terrosos. Eles também são de interesse científico porque pesquisadores propuseram que alguns podem influenciar os efeitos dos canabinoides, embora a extensão e a relevância clínica dessas interações ainda estejam sendo investigadas.
Os pesquisadores analisaram 28 amostras abrangendo diferentes tecidos, estágios de desenvolvimento e seis cultivares de maconha. Eles detectaram 227 terpenos voláteis da cannabis, incluindo 88 monoterpenos e 139 sesquiterpenos.
A distribuição desses compostos variou substancialmente dependendo de onde e quando os pesquisadores coletaram amostras da planta. Flores e brácteas foram os principais locais de produção de terpenos, enquanto raízes e sementes maduras praticamente não continham nenhum. Na cultivar Dinamed Kush, os pesquisadores detectaram apenas um terpeno volátil nas raízes e três nas sementes maduras. Os perfis de terpenos também mudaram à medida que as plantas progrediam dos estágios iniciais para os estágios finais da floração.
As diferenças entre as cultivares foram igualmente acentuadas. Embora as seis variedades tenham produzido quantidades aproximadamente semelhantes de terpenos voláteis no geral, as misturas específicas diferiram o suficiente para criar impressões digitais químicas reconhecíveis.
Entre as cultivares, os cinco terpenos mais prevalentes foram beta-mirceno, trans-beta-ocimeno, terpinoleno, (-)-beta-pineno e alfa-pineno. Certas cultivares se destacaram por concentrações especialmente elevadas de compostos específicos: Red Pure foi associada a níveis elevados de beta-mirceno e terpineno, George Gloria a guaiol e canfeno, e Dinamed Kush a cariofileno e humuleno.
Os pesquisadores encontraram 33 terpenos voláteis principais presentes em todas as seis cultivares, enquanto 60 foram detectados apenas em cultivares individuais, destacando tanto uma base comum de terpenos da maconha quanto uma diversidade substancial específica de cada cultivar.
Um exemplo particularmente claro envolveu o trans-beta-ocimeno. O composto era proeminente em diversas cultivares, mas ocorria em níveis muito baixos na Painkiller. Os pesquisadores atribuíram essa diferença a um gene de terpeno sintase cuja expressão era cerca de 20 vezes menor na Painkiller do que nas outras cinco cultivares, fornecendo uma conexão direta entre a atividade do gene e o perfil de terpenos resultante.
A análise genética também revelou uma complexidade consideravelmente maior do que simplesmente haver um gene para cada terpeno.
Inicialmente, os pesquisadores identificaram 56 genes potenciais de terpeno sintase nas duas cópias, ou haplótipos, do genoma da Dinamed Kush, analisadas separadamente. Após excluírem sequências incompletas ou truncadas, identificaram 41 genes de terpeno sintase de comprimento total com alta confiabilidade. Destes, 18 pertenciam à família TPS-b, associada principalmente à produção de monoterpenos, e 14 à família TPS-a, que inclui muitas sesquiterpeno sintases.
Muitos desses genes apareceram em agrupamentos criados por meio de duplicação gênica. Uma única região continha um agrupamento de 12 genes TPS-b2 em cerca de 480.000 pares de bases de DNA. Os pesquisadores encontraram diferenças substanciais no número e na organização dos genes entre as duas cópias do genoma da cannabis, sugerindo que as variantes genéticas específicas herdadas por uma planta podem ajudar a determinar sua capacidade de produzir terpenos.
Essa distinção foi particularmente evidente em um gene, o CsTPS3DK. Embora se assemelhasse muito a um terpeno sintase funcional previamente identificada e fosse expresso em níveis relativamente altos nas flores de maconha, os pesquisadores descobriram que uma versão dele não possuía um motivo molecular crítico necessário para a função da enzima. Como resultado, o gene estava efetivamente inativo. Os pesquisadores afirmam que a descoberta ilustra por que simplesmente determinar se um gene relacionado a terpenos está presente ou expresso pode não ser suficiente para prever quais compostos uma planta realmente produz.
A análise da expressão gênica identificou ainda 15 genes de terpeno sintase que estavam consistentemente ativos em flores e brácteas em diferentes cultivares, sugerindo que a cannabis possui um programa central conservado para a produção de terpenos florais. Outros genes diferiram drasticamente entre as cultivares, incluindo exemplos com diferenças de expressão superiores a 100 vezes.
Os pesquisadores também encontraram evidências de que a produção de terpenos e canabinoides está intimamente ligada no nível metabólico. Uma análise de rede identificou 3.496 genes altamente correlacionados com pelo menos um terpeno, incluindo 18 genes de terpeno sintase, sete genes relacionados a terpenos a montante, 159 fatores de transcrição e 11 genes da via de sinalização dos canabinoides.
Os canabinoides e os monoterpenos compartilham parte da mesma maquinaria bioquímica, incluindo o precursor geranil pirofosfato, ou GPP. Pesquisadores observaram atividade coordenada de genes das vias de terpenos e canabinoides em flores, brácteas e tricomas glandulares, as estruturas produtoras de resina onde muitos desses compostos se acumulam.
Para determinar a função real de cada gene de terpeno sintase, os pesquisadores testaram funcionalmente seis enzimas previamente não caracterizadas, utilizando E. coli geneticamente modificada e alimentada com precursores de terpeno.
Os experimentos revelaram enzimas inesperadamente flexíveis, capazes de produzir múltiplos compostos e, em alguns casos, usar mais de um tipo de precursor.
Por exemplo, a CsTPS19DK produziu principalmente limoneno e beta-mirceno quando fornecida com GPP, mas produziu o sesquiterpeno aromadendreno como seu principal produto quando fornecida com FPP. A CsTPS23DK produziu principalmente beta-ocimeno a partir de GPP, mas também gerou alfa-farneseno e maalieno quando fornecida com FPP. A CsTPS26DK produziu principalmente beta-elemeno a partir de FPP, enquanto a CsTPS37DK gerou nerolidol e farnesol.
Os pesquisadores concluíram que essa flexibilidade ajuda a explicar como a cannabis pode gerar uma gama excepcionalmente diversa de terpenos sem a necessidade de uma enzima separada para cada composto. Sua análise indicou que os terpenos sintases da maconha podem acessar pelo menos 12 classes estruturais diferentes de sesquiterpenos.
A análise evolutiva ofereceu outra pista. A cannabis e o lúpulo, que pertencem à mesma família botânica, possuem famílias de terpeno sintase significativamente expandidas em comparação com a amoreira, uma planta relacionada. Os pesquisadores identificaram cerca de 41 genes de comprimento total na maconha e 49 no lúpulo, em comparação com apenas 12 na amoreira. A cannabis também possuía 18 genes TPS-b, em comparação com nove no tomate e seis na Arabidopsis.
Pesquisadores afirmam que a duplicação repetida de genes, seguida por mudanças na forma como esses genes são regulados e nas reações que suas enzimas podem realizar, parece ter sido uma das principais forças por trás da diversidade excepcionalmente rica de terpenos da maconha.
É importante destacar que os pesquisadores descobriram que a expressão gênica não previa perfeitamente as concentrações de terpenos. A maioria dos compostos produzidos pelas enzimas testadas também foi detectada em amostras reais de cannabis, mas a quantidade e a distribuição desses compostos nem sempre correspondiam à expressão de seus respectivos genes.
Isso sugere que os perfis de terpenos são moldados por diversos fatores que interagem entre si, incluindo a quantidade de material precursor disponível, enzimas capazes de produzir múltiplos produtos, funções sobrepostas entre diferentes enzimas e a subsequente modificação química dos terpenos após sua produção.
As descobertas poderão ser úteis para melhoristas que buscam cultivares com perfis aromáticos específicos ou para pesquisadores que tentam manipular a produção de terpenos. Os autores afirmam que mapas funcionais mais precisos dos genes dos terpenos poderiam auxiliar no melhoramento genético assistido por marcadores e na engenharia metabólica, visando aumentar, diminuir ou alterar compostos voláteis específicos. Eles também mencionaram que o trabalho poderá contribuir para a investigação das interações propostas entre terpenos e canabinoides, bem como para os potenciais efeitos de entourage.
Existem limitações. As enzimas recém-caracterizadas foram testadas principalmente em células microbianas geneticamente modificadas, em vez de plantas de cannabis; os pesquisadores não determinaram a cinética enzimática detalhada nem testaram todos os precursores possíveis; e apenas uma parte dos terpenos sintases previamente não caracterizadas pôde ser testada funcionalmente. Os autores também observam que a competição e a coordenação entre as vias de síntese de canabinoides e terpenos, particularmente sob estresse ambiental, ainda são pouco compreendidas.
Os pesquisadores concluem que a combinação de genética, expressão gênica, função enzimática e medições de terpenos fornece uma estrutura para entender como a maconha produz sua enorme variedade de aromas e compostos voláteis, permitindo potencialmente que os cultivadores projetem cultivares futuras com características químicas específicas de forma mais precisa.
Referência de texto: The Marijuana Herald
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