Une équipe de recherche dirigée par le Whitehead Institute for Biomedical Research a exploité les technologies métabolomiques pour démêler les activités moléculaires d'une protéine clé qui peut permettre aux plantes de résister à un herbicide commun. Leurs découvertes révèlent comment la protéine, une sorte de catalyseur ou d'enzyme, d'abord isolé dans des bactéries et introduit dans des plantes, y compris les cultures telles que le maïs et le soja, dans les années 90— peut parfois agir de manière imprécise, et comment il peut être reconfiguré avec succès pour être plus précis. La nouvelle étude, qui paraît en ligne dans la revue Plantes naturelles , élève les normes de la bio-ingénierie au 21e siècle.

« Notre travail souligne un aspect critique de la bio-ingénierie que nous devenons maintenant techniquement capables d'aborder, " dit l'auteur principal Jing-Ke Weng, membre du Whitehead Institute et professeur adjoint de biologie au Massachusetts Institute of Technology. "Nous savons que les enzymes peuvent se comporter sans discernement. Maintenant, nous avons les capacités scientifiques pour détecter leurs effets secondaires moléculaires, et nous pouvons tirer parti de ces informations pour concevoir des enzymes plus intelligentes avec une spécificité améliorée. »

Les plantes fournissent un modèle extraordinaire aux scientifiques pour étudier comment le métabolisme change au fil du temps. Parce qu'ils ne peuvent pas échapper aux prédateurs ou rechercher de nouvelles sources de nourriture lorsque les stocks s'épuisent, les plantes doivent souvent faire face à un éventail d'agressions environnementales en utilisant ce qui est facilement disponible :leur propre biochimie interne.

"Bien qu'ils semblent immobiles, les plantes ont des systèmes métaboliques en évolution rapide, " explique Weng. " Maintenant, nous pouvons avoir une vision inédite de ces changements grâce à des techniques de pointe comme la métabolomique, nous permettant d'analyser les métabolites et autres produits biochimiques à grande échelle."

Les acteurs clés de ce processus évolutif – et un axe majeur de recherche dans le laboratoire de Weng – sont les enzymes. Traditionnellement, ces catalyseurs naturels ont été considérés comme des mini-machines, prendre le bon matériau de départ (ou substrat) et le convertir parfaitement en le bon produit. Mais Weng et d'autres scientifiques reconnaissent maintenant qu'ils font des erreurs, souvent en s'accrochant à un substrat involontaire. "Ce concept, connu sous le nom de promiscuité enzymatique, a diverses implications, à la fois dans l'évolution enzymatique et plus largement, dans la maladie humaine, " dit Weng.

Cela a également des implications pour la bio-ingénierie, comme Bastien Christ, un stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Weng, et ses collègues l'ont récemment découvert.

Christ, puis étudiant diplômé dans le laboratoire de Stefan Hörtensteiner à l'Université de Zurich en Suisse, étudiait une souche particulière de la plante à fleurs Arabidopsis thaliana dans le cadre d'un projet distinct, et il a fait une observation déroutante :deux composés biochimiques ont été trouvés à des niveaux inhabituellement élevés dans leurs feuilles.

Étrangement, ces composés (appelés acétyl-aminoadipate et acétyl-tryptophane) n'étaient présents dans aucun des plantes dites "sauvages". Alors que lui et ses collègues cherchaient une explication, ils se sont concentrés sur la source :une enzyme, appelé BAR, qui a été conçu dans les plantes comme une sorte de balise chimique, permettant aux scientifiques de les étudier plus facilement.

Mais BAR est plus qu'un simple outil pour les scientifiques. C'est aussi l'un des traits les plus couramment déployés dans les cultures génétiquement modifiées, comme le soja, maïs, et coton, leur permettant de résister à un herbicide largement utilisé (appelé phosphinothricine ou glufosinate).

Depuis des décennies, les scientifiques savent que BAR, isolé à l'origine à partir de bactéries, peut rendre l'herbicide inactif en ajoutant une courte chaîne de produits chimiques, composé de deux carbones et d'un oxygène (également appelé groupe acétyle). Comme les chercheurs le décrivent dans leur article Nature Plants, il a un côté promiscuité, et peut travailler sur d'autres substrats, trop, tels que les acides aminés tryptophane et aminoadipate (un dérivé de la lysine).

Cela explique pourquoi ils peuvent détecter les produits indésirables (acétyl-tryptophane et acétyl-aminoadipate) dans les cultures génétiquement modifiées pour transporter BAR, comme le soja et le canola.

Leurs recherches comprenaient des études détaillées de la protéine BAR, y compris les structures cristallines de la protéine liée à ses substrats. Cela leur a fourni un plan sur la façon de modifier stratégiquement BAR pour le rendre moins promiscuité, et privilégier uniquement l'herbicide comme substrat et non les acides aminés. Christ et ses collègues ont créé plusieurs versions dépourvues de l'activité non spécifique de la protéine BAR originale.

"Ce sont des catalyseurs naturels, alors quand nous les empruntons à un organisme et les mettons dans un autre, ils ne sont pas nécessairement parfaits pour nos besoins, " Christ dit. " Rassembler ce genre de connaissances fondamentales sur la façon dont les enzymes fonctionnent et comment leur structure influence la fonction peut nous apprendre comment sélectionner les meilleurs outils pour la bio-ingénierie. "

Il y a d'autres leçons importantes, trop. Lorsque le trait BAR a été évalué pour la première fois par la FDA des États-Unis, en 1995, pour utilisation dans le canola, et au cours des années suivantes pour d'autres cultures—la métabolomique était en grande partie inexistante en tant que technologie pour la recherche biomédicale. Par conséquent, il ne pouvait pas être appliqué à la caractérisation des plantes et des aliments génétiquement modifiés, dans le cadre de leur examen réglementaire. Néanmoins, acétyl-aminoadipate et acétyl-tryptophane, qui sont normalement présents chez l'homme, ont été examinés par la FDA et sont sans danger pour la consommation humaine et animale.

Weng et ses collègues pensent que leur étude plaide en faveur d'analyses métabolomiques dans le cadre du processus d'examen des futures cultures génétiquement modifiées. "C'est un récit édifiant, " dit Weng.