Biosynthèse des cannabinoïdes : comment le CBD et le THC sont-ils produits ?
L'un des plus grands plaisirs de la connaissance est de découvrir qu'elle ne s'arrête jamais. Le sujet du blog d'aujourd'hui est la synthèse ou la biosynthèse des cannabinoïdes. Pourquoi l'étude de la production des cannabinoïdes est-elle importante ? En fait, pour beaucoup de choses.
Le monde passionnant de la biosynthèse des cannabinoïdes
La biosynthèse des cannabinoïdes est un domaine de recherche très intéressant pour l'industrie du cannabis et la médecine, car ces composés ont un large éventail de propriétés thérapeutiques potentielles.
Comprendre les processus de production des cannabinoïdes peut aider à améliorer la production de cannabinoïdes spécifiques destinés à des traitements médicaux. Mais comprendre la complexité de ce processus permet aussi de mieux saisir le caractère arbitraire des limites de THC autorisées pour le cannabis, qui, dans de nombreux pays, sont inférieures à 1 %, ce qui est parfaitement ridicule, puisque cela va à l'encontre de la biologie elle-même.
Qu'est-ce que la biosynthèse des cannabinoïdes ?
Les plantes de cannabis produisent des composés chimiques appelés phytocannabinoïdes, par le biais d'un processus biologique appelé biosynthèse des cannabinoïdes. Ce processus a lieu dans les trichomes du cannabis.
La voie biochimique de la synthèse des cannabinoïdes
La voie biochimique par laquelle sont produits les cannabinoïdes que nous connaissons est longue, et elle fait intervenir des substances non cannabinoïdes, des cannabinoïdes et des enzymes.
Par ailleurs, petite curiosité : dans la plante de cannabis, les étapes en amont de la biosynthèse des cannabinoïdes convergent avec la voie des terpènes.
Tout commence avec le CBGA (acide cannabigérolique), la mère des autres cannabinoïdes, à partir de laquelle seront produits le THCA (acide Δ-9-tétrahydrocannabinolique), le CBDA (acide cannabidiolique) et le CBCA (acide cannabichroménique). Et même si nous ne connaissons pas entièrement la voie des autres cannabinoïdes, le cannabis produit une centaine de cannabinoïdes différents !
Comme nous l'avons mentionné dans un article précédent, la plante Cannabis sativa produit les composés cannabinoïdes sous forme acide, représentée par un « A » à la fin du nom de chaque cannabinoïde (p. ex. CBDA, THCA).
La plante de cannabis produit les cannabinoïdes sous forme acide et, lorsqu'ils sont chauffés, ceux-ci passent à leur forme neutre par un processus appelé décarboxylation.
Sous l'effet de la chaleur se produit un processus chimique appelé décarboxylation, au cours duquel ces composés passent à leur forme neutre [1]. Lors de ce processus chimique, les cannabinoïdes sous forme acide perdent un groupe carboxyle (COOH) et forment le CBD (cannabidiol), le THC (Δ-9-tétrahydrocannabinol) et le CBC (cannabichromène).
Cette forme neutre des cannabinoïdes est celle qui interagit le plus avec notre système endocannabinoïde [2]. C'est pourquoi, pour obtenir l'effet du cannabis, nous fumons, vaporisons, infusons ou cuisinons la plante.
Ce processus de décarboxylation se déroule en dehors de la plante ; autrement dit, la plante produit les composés sous forme acide, et la forme neutre apparaît à l'extérieur, ce que j'appelle dans la figure une « conversion non enzymatique ».
Les enzymes de la biosynthèse des cannabinoïdes
Que sont les enzymes ?
La synthèse des cannabinoïdes dans la plante se fait grâce à des protéines appelées enzymes. Pour simplifier, nous pourrions dire que les enzymes sont un type de protéine qui remplit une fonction, qui fait quelque chose. Dans ce cas, les enzymes de la synthèse des cannabinoïdes agissent comme un architecte qui modifie ou transforme une molécule en une autre.
En réalité, ces changements se produisent de bien des façons : parfois en coupant la molécule chimique, d'autres fois en la pliant, en y greffant un groupe chimique, etc. Dans le cannabis, la biosynthèse des cannabinoïdes commence par l'enzyme CBGAS (synthase de l'acide cannabigérolique), qui est celle qui produit le « cannabinoïde mère » : le CBGA.
Ensuite, certaines enzymes se chargent de transformer le CBGA en d'autres cannabinoïdes : la THC synthase, la CBD synthase et la CBCA synthase. Jusqu'ici, tout semble très schématique et simple, n'est-ce pas ? Eh bien, ce n'est pas toujours le cas : comme nous le verrons, ces enzymes ont leur mot à dire.
La mère cannabinoïde : CBGA
Les trois enzymes THCA, CBDA et CBCA synthases agissent sur le CBGA, qui est le précurseur de ces trois cannabinoïdes. Le CBGA est donc la mère qui donne naissance à ces cannabinoïdes. C'est l'une des raisons pour lesquelles j'aime le CBGA : en tant que mère, je m'identifie aux autres mères.
Le CBGA est le cannabinoïde qu'utilisent les enzymes de la plante de cannabis pour produire les cannabinoïdes THCA, CBDA et CBCA ; c'est pourquoi on l'appelle la mère cannabinoïde.
La figure montre les deux dernières des nombreuses étapes de la biosynthèse des cannabinoïdes à l'intérieur de la plante :
La figure montre les dernières étapes de la voie métabolique par laquelle sont produits les cannabinoïdes CBC, CBD et THC. L'enzyme CBGA synthase (CBGAS) convertit le diphosphate de géranyle en acide cannabigérolique (CBGA). Le CBGA est la molécule précurseur qu'utilisent les enzymes THCA, CBDA et CBCA synthases pour produire les cannabinoïdes THCA, CBDA et CBCA, respectivement. Sous l'effet de la chaleur, ces trois composés, tout comme le CBGA, se décarboxylent et passent à leurs formes neutres THC, CBD, CBC et CBG. Cette étape de décarboxylation a lieu en dehors de la plante, ce que j'appelle une « conversion non enzymatique ».
L'arrière-grand-mère cannabinoïde
Vous vous demandez quel est l'ancêtre des cannabinoïdes ? Si le CBGA est la mère cannabinoïde, l'arrière-grand-mère de tous les cannabinoïdes est l'acide palmitique. Comme les endocannabinoïdes, les phytocannabinoïdes sont synthétisés à partir d'acides gras.
Enzymes promiscues et brouillonnes : c'est la fête !
Comme vous le voyez sur la figure, de nombreuses enzymes différentes interviennent dans la synthèse des cannabinoïdes. Ces protéines remplissent une fonction, en l'occurrence celle de synthases, puisqu'elles catalysent (causent, provoquent) une réaction qui donne naissance aux différents cannabinoïdes.
L'enzyme CBGAS (synthase de l'acide cannabigérolique) est celle qui convertit l'acide olivétolique (OLA ; dérivé de l'acide palmitique) et le diphosphate de géranyle en acide cannabigérolique. Les lecteurs chimistes me diront si je traduis correctement ces noms de l'anglais vers l'espagnol.
Les oxydocyclases cannabinoïdes sont les fameuses THCA synthase, CBDA synthase et CBCA synthase, qui prennent l'acide cannabigérolique et le transforment respectivement en THCA, CBDA et CBCA.
Du point de vue de la structure chimique, le CBDA possède une structure cyclique de plus que l'enzyme CBGA synthase. Cette différence structurelle se traduit par des différences dans leurs effets biologiques.
Cette terminologie d'« oxydo-cyclases cannabinoïdes », que j'adore, je l'emprunte à l'article de van Velzen et Schranz de 2021 [7], que je vous recommande.
Petite curiosité, si l'on se met à faire de la biochimie : c'est pour cette raison que van Velzen et Schranz appellent oxydocyclases cannabinoïdes les THCA, CBDA et CBCA synthases. « Oxydo » parce qu'elles retirent un hydrogène au CBGA ; et « cyclases » parce que les cannabinoïdes THCA, CBDA et CBCA possèdent tous un cycle de plus.
Caractéristiques des enzymes de la synthèse des cannabinoïdes
Or, même si beaucoup d'entre nous ont appris pendant leurs études que les enzymes sont très spécifiques, comme une clé pour une serrure, ce n'est pas le cas des oxydocyclases cannabinoïdes (THCA, CBDA et CBCA synthases).
Les enzymes qui interviennent dans la synthèse des cannabinoïdes peuvent produire jusqu'à huit composés différents in vitro, y compris le composé de l'autre enzyme [8]. Et, apparemment, ces enzymes ne sont pas très spécifiques non plus dans la plante, in vivo [8], même s'il faudra de nombreuses études pour confirmer ce que ces enzymes produisent dans la plante, et en quelles quantités.
En d'autres termes, l'enzyme qui produit le THCA (THCA synthase) peut, en plus du THCA, produire du CBCA et du CBDA. Il en va de même pour la CBDA synthase : elle peut également produire du THCA et du CBCA et ainsi de suite, jusqu'à huit composés.
En anglais, on appelle cela « sloppiness », ce que je traduis par enzymes brouillonnes. Et selon mon hypothèse, qui reste à confirmer, la plus brouillonne de toutes est la CBCA synthase, mais c'est là une autre histoire, pour plus tard.
Les enzymes qui produisent les cannabinoïdes sont promiscues et brouillonnes : elles peuvent produire jusqu'à huit cannabinoïdes différents in vitro, y compris celui de l'autre enzyme.
En outre, comme ces trois enzymes utilisent le CBGA comme composé précurseur, et qu'elles agissent toutes les trois sur ce même composé, on pourrait aussi les classer parmi les enzymes promiscues.
Comme vous pouvez le voir, nos petites copines les enzymes font la fête, promiscues et brouillonnes, produisant le composé de l'une ou de l'autre, ou d'autres composés encore, a la topa tolondra, à l'aveuglette (et si vous allez un jour à Cali, en Colombie, je vous recommande d'aller danser dans cette discothèque).
CBGA synthase : l'intrigante structure génétique de l'enzyme de la mère cannabinoïde
Une chose que j'ai trouvée très intéressante est la structure génétique du gène qui code pour l'enzyme CBGA synthase. Ce gène comporte de nombreux exons, et donc aussi des introns [6]. Les exons sont la partie du gène qui contient les informations nécessaires à la fabrication des protéines, tandis que les introns ne contiennent aucune information.
Bien que les exons comme les introns se trouvent dans l'ADN, ou matériel génétique, du cannabis, et fassent partie du gène qui produit la CBGAS, lorsque l'enzyme, ou protéine, est produite, elle ne contient que l'information génétique des exons.
Caractéristiques de l'enzyme CBGAS
Ce que je trouve intéressant dans cette structure génétique, c'est que les introns sont assez grands, jusqu'à près de 11 000 paires de bases azotées (lettres ; [6]), et, bien que des introns de cette taille aient été signalés, ils ne sont pas très courants.
De plus, ce gène possède de nombreux introns, neuf, dix et même onze [6].
Il s'agit donc d'un gène en plusieurs morceaux, ce qui est également intéressant, car cela permet de produire plusieurs types de protéines, ce qui, espérons-le, fera l'objet d'études scientifiques dans un avenir proche.
Le gène codant pour l'enzyme CBGA synthase présente une structure intéressante avec plusieurs exons et introns. Les exons sont la partie du gène qui est traduite en protéines, et le fait d'en avoir plusieurs permet de former différentes structures de protéines.
C'est une autre raison pour laquelle le CBGA est mon cannabinoïde préféré : même si les études scientifiques manquent encore pour confirmer cette hypothèse, il se peut que ce gène produise différentes structures protéiques, ce qui le rendrait polyvalent, adaptable et généreux, comme nous le sommes, nous les mères.
Comment les cannabinoïdes mineurs CBCA et CBGA sont-ils produits ?
Étant donné que de nombreux cannabinoïdes, comme le CBCA et le CBGA, sont produits en faibles quantités dans la plante de cannabis, surtout si on les compare au THCA et au CBDA [9], on les appelle cannabinoïdes mineurs (minor cannabinoids, en anglais). Malgré cela, ils semblent avoir des propriétés pharmacologiques et de possibles usages médicinaux.
Synthèse de cannabinoïdes mineurs
Il existe de nombreux autres cannabinoïdes mineurs, tels que le CBCA et le CBGA, ainsi que le THCVA et le CBDVA.
Ceux-ci sont produits par une voie alternative qui utilise l'acide divarinique au lieu de l'acide olivétolique, et nous en parlerons une autre fois.
D'autres cannabinoïdes, comme le CBN, sont produits par oxydation (sans enzymes) à partir du THC, de sorte que le CBN pourrait être considéré comme un produit de dégradation.
Les enzymes cannabinoïdes et leur rôle dans le profil cannabinoïde des variétés de cannabis
Est-il possible de sélectionner les cannabinoïdes que l'on veut qu'une plante de cannabis produise ?
Pendant de nombreuses années, et de manière clandestine, les méthodes utilisées pour choisir les cannabinoïdes qu'une plante allait produire passaient par la sélection artificielle, c'est-à-dire par la sélection des plantes présentant les caractéristiques souhaitées, en fonction de l'arôme, de la puissance, de la vigueur…
Les cultivateurs de cannabis connaissaient de manière informelle la biosynthèse des cannabinoïdes bien avant que les scientifiques ne décrivent ces réactions chimiques.
La sélection artificielle a été utilisée chez de nombreuses plantes et d'autres organismes. Par exemple chez le chien, pour obtenir des variétés, ou différentes races (des cultivars, si l'on parle de cannabis), présentant les caractéristiques souhaitées.
Mais derrière cette technique ancestrale se cache la chimie des cannabinoïdes. Par exemple, le cannabis sans THC a été obtenu en croisant des variétés riches en CBD. Sur le plan génétique, les plantes de cannabis très riches en CBD ont le gène qui produit l'enzyme THCA synthase tronqué ou défectueux, si bien que le cannabinoïde THC n'est pas produit dans la plante, ou pas en aussi grande quantité (car, rappelons-le, ce sont des enzymes brouillonnes), et d'autres cannabinoïdes, comme le CBD, s'accumulent.
À l'inverse, les variétés très riches en THC, aux effets très psychoactifs, ont généralement le gène de l'enzyme CBDA synthase défectueux.
C'est l'une des raisons pour lesquelles la production de cannabinoïdes dans les plantes de cannabis peut varier considérablement en fonction de la génétique, même si des aspects liés à la culture (éclairage, arrosage, pH du sol, température…) jouent également un rôle.
Des cannabinoïdes à la demande ? Pas si facile
On pourrait penser que, si l'on veut des variétés qui ne produisent pas un certain type de cannabinoïde, il suffirait d'inactiver les gènes qui produisent la synthase correspondante. Mais ce n'est pas le cas : comme nous l'avons vu, ces enzymes sont brouillonnes, et toutes sont en théorie capables de produire du THC ; dans la pratique, on constate d'ailleurs que les plantes qui produisent beaucoup de CBD contiennent généralement aussi du THC, même en petites quantités.
Des législateurs ignares
Il est fort probable que les législateurs qui ont rédigé les règles sur le chanvre et le cannabis n'aient eu aucune idée que ces enzymes faisaient la fête. Car s'ils avaient su que les enzymes des cannabinoïdes étaient promiscues et brouillonnes, ils auraient peut-être fixé une limite de THC supérieure à 0,3 %, plus compatible avec la biologie de la plante, ou n'auraient fixé aucune limite.
L'ignorance profonde de la biochimie et de la biologie de la plante par les législateurs et les régulateurs nuit aux cultivateurs, aux producteurs et aux sélectionneurs de cannabis.
Je vous avais déjà parlé de ma profonde colère et de ma frustration face à ces réglementations injustes et absurdes sur les types de cannabis.
Si vous croisez ces législateurs ignares, dites-leur qu'une biologiste de l'évolution, chercheuse sur le cannabis, critique vivement leurs décisions mal informées, inconscientes et égoïstes.
Informations sur la synthèse des cannabinoïdes (questions fréquentes)
Qu'est-ce que la synthèse des cannabinoïdes ?
La biosynthèse des cannabinoïdes décrit les réactions chimiques qui se produisent dans la plante de cannabis et qui donnent naissance aux cannabinoïdes. Le processus de biosynthèse des cannabinoïdes comprend une série d'étapes enzymatiques qui convertissent des précurseurs chimiques en cannabinoïdes actifs. Le principal précurseur des cannabinoïdes est l'acide cannabigérolique (CBGA), qui est converti en THC, en CBC ou en CBD sous l'action d'enzymes spécifiques.
Où a lieu la synthèse des cannabinoïdes ?
Dans les plantes de cannabis, la biosynthèse des cannabinoïdes a lieu dans les trichomes glandulaires, des structures spécialisées présentes à la surface des feuilles, des tiges et surtout des fleurs de la plante. Il est toutefois aussi possible de produire des cannabinoïdes synthétiques.
Références
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- Gertsch, J., et al., Beta-caryophyllene is a dietary cannabinoid. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2008. 105(26): p. 9099-9104.
- Page, J.E. and J.M. Stout, Cannabichromenic acid synthase from Cannabis sativa. 2017, Google Patents.
- Vergara, D., et al., Gene copy number is associated with phytochemistry in Cannabis sativa. AoB PLANTS, 2019. 11(6): p. plz074.
- Gülck, T. and B.L. Møller, Phytocannabinoids: origins and biosynthesis. Trends in Plant Science, 2020. 25(10): p. 985-1004.
- Innes, P.A. and D. Vergara, Genomic description of critical upstream cannabinoid biosynthesis genes. bioRxiv, 2022: p. 2022.12.15.520586.
- van Velzen, R. and M.E. Schranz, Origin and evolution of the cannabinoid oxidocyclase gene family. Genome Biology and Evolution, 2021. 13(8): p. evab130.
- Zirpel, B., O. Kayser, and F. Stehle, Elucidation of structure-function relationship of THCA and CBDA synthase from Cannabis sativa L.. Journal of Biotechnology, 2018. 284: p. 17-26.
- Smith, C.J., et al., The phytochemical diversity of commercial cannabis in the United States. PLoS One, 2022. 17(5): p. e0267498.
