CBD基礎情報

【徹底解説】合成CBDの製造方法【化学合成 vs 酵母菌による生合成の利用】

合成CBDには大きく分けて二種類あると言われています。

一つ目が化学合成を利用した方法、二つ目が生物学的技術を利用した方法です。今回はこれらによる主なCBDの製造方法について取り上げて、比較してみたいと思います。

1. 一般的なCBDの化学合成経路

アダムスらが1940年に(-)-CBDの分子構造を解明して以来、CBDに対するさまざまな合成戦略が報告されています。

下図のように、CBDは構造的に2つの主要部位、すなわちリモネン部位とオリベトール部位で構成されています(下図)。

※化学構造において、骨格はC(炭素)であり、基本的にCという表記は省略します。また、骨格に結合したH(水素)も省略します。ただし、状況に応じて、CやHを表記することもあります。

合成戦略ではリモネン部位とオリベトール部位をつなげるという手法をとることが多いです。化学合成技術を用いる場合、これが最も単純な方法だからです。

現在では最も一般的となった(-)-CBDの化学合成経路は1967年にPetrzilkaらによって報告されました。

最も一般的な(-)-CBDの化学合成法は、立体構造の決まったテルペンとオリベトールとの反応(=カップリング反応)を利用した方法です(下図:詳細な反応条件は省略)。

※立体構造の決まった原料を使用して特定の立体構造の目的化合物をつくる手法をキラルプール法と言います。

CBDの合成によく使用される原料はメンタジエノール(=(+)-p-mentha-2,8- dien-1-ol)というテルペンです(上図)。このメンタジエノールは柑橘類の果皮に多く含まれるリモネン(=(+)-limonene)という天然のテルペンから合成できることが知られています。

上の例では省略しましたが、メンタジエノールとオリベトールとの反応でCBDを合成するには、反応の進行を促進する添加剤として「酸」を加える必要があります。酸がメンタジエノールを活性化し、活性メンタジエノールとオリベトールとのカップリング反応を誘発します。

反応に用いる酸の候補は多数ありますが、できるだけ目的のCBDを多く生成させられる酸が、適切な反応条件(溶媒、温度、時間、原料を混ぜる順序など)とともに、研究者によって探索されました。

1985年、ラファエル博士らは、メンタジエノールとオリベトールの反応においてアルミナに吸着させたBF3・OEt2(=三フッ化ほう素ジエチルエーテル錯体)を酸として用いるとCBDが56%収率で得られることを発見しました(下図)。

カンナビノイド研究の歴史がまだ浅かった30年前でも、この反応によって数十グラムのスケールでCBDを合成することに成功しています(収率46%:※同じ反応条件でもスケールが変わると収率は上下することがある)。

さらに、ZnCl(=塩化亜鉛)やp-TsOH(=p-トルエンスルホン酸)、Zn(OTf)2(=トリフルオロメタンスルホン酸亜鉛(II)=亜鉛(II)トリフラート)などを酸として用いた方法も報告されました。ここでは詳細は省略いたします。

具体的なCBDの合成手順

具体的には、まず、オリベトールと酸を混合し、この混合液にメンタジエノールを加えるという手順で合成反応が実施されました(※なお、先にオリベトールとメンタジエノールを混合してから酸を加えるパターンもあるようです)。

適切な溶剤(希釈剤)とともに適切な温度および適切な反応時間で撹拌後(=溶液を混ぜた後)、反応液を中和および濾過、洗浄して、純度の低いCBDが回収されました。

その後、得られた純度の低いCBDを結晶化させ、高純度のCBDが回収されました。

2. オリベトール酸の類似化合物からCBDを合成する経路

また、他の方法として、大麻草におけるカンナビノイドの生合成(代謝)経路を参考にした合成方法も報告されています。生合成経路ではオリベトールではなくオリベトール酸が反応の中間体として登場します。

実際に、オリベトール酸と類似の構造を持つオリベトール酸エステル(下図)を用いることにより反応が行われた例が報告されています。

今回は、カップリング反応において、酸としてBF3・OEt2を用いた例を紹介します(下図[文献:US20100298579A1])。

オリベトール酸メチルとメンタジエノールとの反応では、目的のCBDAの誘導体であるカンナビジオール酸メチルが主に得られています(上図の「Main」がカンナビジオール酸メチル)。

得られたカンナビジオール酸メチルは加水分解および脱炭酸を経て容易にCBDになります。再結晶で精製して、全体の収率は51%でした。

ここで取り上げていないCBDの他の合成方法についても確認してみたいという方は、今回引用した以下の文献(総説)を参照にするとよいでしょう。

勿論、オリベトールとテルペンをカップリングするという経路以外の合成方法も紹介されています。

1) Chem. Eur. J. 202127, 1 – 25.

2) J. Med. Chem. 202063, 12131–12136.

3. 生合成CBD:遺伝子改変を加えた酵母菌の細胞で生産するCBD

広く利用されている数多くの薬物は、構造の複雑さゆえに実験室で安価に合成できないため、植物抽出物からの分離または製造が利用されています。そのような中、温室ではなく実験室で、生物学的技術を用いてCBDを生産する方法が追求されてきました。

遺伝子操作を行った酵母などの微生物を利用してそのような化合物を生産する方法は、合成生物学の進歩により実現が期待されています。

この技術を利用すれば、化学合成で必須な煩雑な反応操作や激しい反応条件、高価な試薬などを利用することなく、単純な糖類を加えた培養液を培養するだけで目的の化合物を得ることが可能になると期待されています。

実際に、2019年のNature誌で、酵母のような多産の生産細胞を利用する遺伝子工学によって単糖類のガラクトースからCBDAを生合成する方法が報告されました(Nature 2019567, 123–126.)。

CBDAの生合成のための適切な遺伝子が組み込まれた酵母株では、その生産は4.2~4.3μg/Lでした。これは、非常に低い値なので、現時点で薬剤などの供給ニーズへの対応に適用できない技術でしょう。このような生産量はせめてmg/Lスケール、できればg/Lに近いスケールが望ましいのです。

ここで利用されたのは、いわゆる出芽酵母のタンパク質発現系による天然物の合成です。

出芽酵母とは、アルコール発酵や味噌作りで利用されているなじみ深い微生物です。また、出芽酵母は真核細胞のモデル生物として研究で幅広く利用されてきました。外来の遺伝子をこのような酵母に挿入して発現させると、酵母にて目的のタンパク質を発現させることができます。生合成に関与する酵素のようなタンパク質を酵母内で発現させることができれば、酵母の代謝経路を利用して化合物の生産が可能となります。

前述のNature誌の報告では、改変された出芽酵母(Saccharomyces cerevisiae)の生合成経路を再構築して、その酵母菌を利用することでCBDAを生成しました(下図)。

この研究によって、大麻に含まれる主要なカンナビノイドを単糖(ガラクトース)から生産できる酵母菌株が設計され、大麻栽培とは独立したカンナビノイドの大規模発酵の基礎が築かれたと言えるかもしれません。

しかし、ほとんどの中間体は変換率が低く、結果として、ここでの手法に高い生産性を結びつけるのは難しいことが示唆されています。また、この研究で使用されている糖類のガラクトースは原料として十分に安価な糖であるかも疑問です。

4. 合成CBDの比較:化学合成 vs 酵母菌による生合成の利用

酵母菌を利用するような生物学的技術によるモノづくりでは、現時点において化学合成によるモノづくりで達成している精密さに至らない部分が多いという現実があります。

さらに、酵母菌の利用では、酵素によって厳密に特異的な反応が起こる分、化学合成ほど柔軟に反応の改善を実施できないというデメリットもあります。

また、化学合成は、実績のある精製方法を利用できるため、純粋なカンナビノイドを製造して得る方法を確立しやすいと言えるでしょう。CBD合成における製造現場に適した精製方法などは、過去の文献で多くのリソースを特定できます。

したがって、この分野は今後の研究の進展に大いに期待できますが、現時点での実用的な合成は生合成ではなく化学合成になると言えるでしょう。

また、法律の問題がなければ、CBDやTHCについては大麻草から抽出したほうがまだまだ効率が良いように思えます。

しかし、希少なカンナビノイドを大規模で生産することを目指すのであれば、このような合成方法の開発が今後重要になってくるかもしれません。

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LUNA
tokyo mooon編集長。日本臨床カンナビノイド学会会員。青山や代官山によく足を運びます。