大麻（汉麻）是桑科大麻属植物，一年生直立草本，枝具纵沟槽，密生灰白色贴伏毛。它是典型的一年生且雌雄异株的开花植物。
大麻中存在大量的活性成分，迄今为止从大麻中分离出600多种次生代谢物，主要是大麻植物特有的萜酚类化合物，即大麻素。
目前，已从大麻中鉴定出超过115种大麻素，主要产生于雌花的腺毛中，大麻二酚（CBD）、四氢大麻酚（THC）和大麻环萜酚（CBC）为大麻中的主要大麻素。然而在已知的600多种大麻素中，大多数含量较低，由于其在医学、日化和工业方面具有广泛的用途，迫切需要应用新的生物技术提高大麻素的生物合成。
次级代谢物的传统获取方式是从植物中提取或通过化学合成，但因其结构复杂，使用化学合成的方法成本高、效益低，无法成为大量合成大麻素的有效途径。研究表明通过工程微生物菌株生物合成大麻素已成为获得具有成本效益、高质量和可靠大麻素的有效手段。
本文综述利用基因工程、细胞工程技术调控大麻酚类合成研究方面的最新进展，有助于了解大麻生物合成途径，评估组织培养优化技术在大麻植物繁殖中的潜在应用及价值。
1.内源性大麻素系统及其抗癌作用
内源性大麻素系统（ECS）
大麻素根据其来源可分为3类：植物大麻素、内源性大麻素和合成大麻素。
植物大麻素与分布于全身的特定受体结合，称为内源性大麻素受体。内源性大麻素受体及其内源性神经递质N-花生四烯酸乙酰胺（N-AEA）和2-花生四烯酸甘油酯（2-AG），以及负责内源性大麻素合成和降解的酶，形成内源性大麻素系统。
有两种内源性大麻素受体CB1、CB2（1型和2型大麻素受体），它们属于G蛋白偶联受体家族，存在于中枢神经系统（主要表达CB1）和免疫组织（主要表达CB2）。两者都在与大麻素相互作用时发挥抑制神经元活动的作用。
抗癌作用及机制
大麻素主要用于癌症的姑息治疗，以减轻疼痛、刺激食欲和缓解恶心。
内源性大麻素系统在癌症中的作用机制尚不完全清楚，但一些研究表明，大麻素受体和内源性配体在肿瘤组织中过度表达。已发现大麻素可通过激活大麻素受体抑制肿瘤细胞增殖、血管生成、肿瘤侵袭，并可在体内外诱导细胞凋亡。
2.大麻不同酚类物质的分布和积累
大麻不同组织部位酚类物质含量积累规律
研究表明，大麻素在生殖阶段开始积累，苞片、花和果外围的变态叶是始果期大麻素含量最高的器官。也有研究表明，大麻酚类化合物主要存在于包裹种子的小苞叶中，其次是植株顶部叶片，底部叶片中大麻素含量最少。
大麻素的生物合成和积累发生在腺毛上，腺毛状体分为有柄毛状体、无柄毛状体和茎状毛状体。茎状毛状体是从无柄毛状体形成的。腺毛状体在堆积有分泌性囊泡的气球状腔中积聚大麻素，根组织不会积聚植物大麻素。腺毛不仅分泌大麻素，还可以合成大麻素。
不同大麻酚类物质的合成积累及分布
汉麻植株中不同大麻素的分布都有其特性，用于生产大麻素的汉麻植株是雌雄异株，这些化合物在未受精的雌性花序上积累。在雌性植株的叶和花中THC含量最高，种子和根中几乎不含有THC，CBD的分布特征与THC十分相似。
当干燥后的大麻长期暴露在紫外线、空气或潮湿的环境中会产生另一种大麻素，即大麻酚（CBN），其在新鲜及阴干的大麻材料中是不存在的，是THC经氧化后得到的产物。在大麻幼苗期产生的主要大麻素是大麻环萜酚（CBC），CBC的含量随着植株的成熟而降低，以至可以忽略不计。
3.大麻素途径基因及合成生物学
合成途径及关键基因
大麻素合成途径未被完全解析，是一个极其复杂的代谢过程，相关人员根据转录组测序结果，推导出了大麻素生物合成过程，包括2-甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）途径、焦磷酸香叶酯（GPP）途径、己酸途径和以这3个途径合成产物为底物的CBD途径。
大麻幼苗不积累大麻素。这一发现表明，大麻素的生物合成与器官和组织的发育有关，并受参与这些过程的基因控制。
大麻酚类化合物合成生物学研究
合成生物学可用于产生底盘生物，以研究和表征与这些含量较不丰富的大麻素及其衍生物的生物合成有关的酶，并通过可扩大的发酵过程生产这些化合物。
此外，通过掺入定制酶，微生物生产可以产生具有增强特性的新型大麻素。基于植物大麻素生物合成途径，人们可以通过合成生物学的方法实现工业化生产大麻素或合成某些新型大麻素药物，目前在这方面已经取得了很大的进展。
4.植物细胞工程技术合成大麻素
大麻几千年来的药用特性使得其潜在的医药价值逐渐受到广泛关注，一些大麻素制剂已在某些国家被批准为处方药，用于治疗一系列人类疾病。但大麻的大规模田间耕种很难控制，同时因受环境、品种、气候、土壤等因素的影响，大麻中的大麻素含量会发生变化。
鉴于此，人们开始研究大麻素替代的生产方法。生物技术是一种有吸引力的替代手段，使用植物、真菌和细菌在内的不同平台来生产大麻素。如通过外植体和微繁殖技术生产大麻素，可以持续稳定地获得大麻素，除特定植株外，高生物量作物烟草也被认为是一种很有希望的生产大麻素的异源宿主。通过异源系统来产生大麻素合成的相关酶，有望实现大麻素的批量生产。
2018年，美国食品药品监督管理局FDA批准了英国GW公司生产的Epidiolex口服液，用于治疗与两种罕见的癫痫，Lennox-Gastaut综合征和Dravet综合征相关的癫痫发作。同时，还批准了合成大麻素Dronabinol和Nabilone用于治疗癌症化疗的恶心和呕吐。其中，Dronabinol含有合成的四氢大麻酚THC，Nabilone含有具有类似结构的合成物质。
生物合成大麻素一时间成为新风口，以其成本低、精准化生产而被广泛关注。资本介入希望能够得到量化生产，试图颠覆和取代植物提取大麻素的传统方式。
不过，生物合成大麻素的工艺并不适用于所有的大麻素。生物技术或许在罕见大麻素的生产以及制药开发领域更有用武之地，至于CBD的生产，植物提取或许是更佳的选择。同时，合成大麻素还存在着诸多监管上的不确定性需要完善，就目前而言，市场上尚未有公司将其进行商业化大规模生产。
未来，生物合成大麻素是否能够真正取代传统植物提取，尚未可知。但植物大麻素具备的强大功效已然被医疗领域广泛认可和利用，随着全球大麻合法化进程的加速，医用大麻市场空间进一步扩张。
