Fonctionnalisation de la strictosidine-β-D-glucosidase (SGD) chez la levure. a, production de THA dans des souches de levure exprimant CroSTR et CroTHAS avec SGD de C. roseus (CroSGD) ou R. serpentina (RseSGD). conc., concentration. b, protéine RseSGD divisée en quatre domaines sur la base de la conservation de la séquence entre CroSGD et RseSGD, notée R1 (jaune), R2 (bleu), R3 (rouge) et R4 (cyan); structure cristalline (PDB ID 2jf6). c, production de THA à partir de SGD hybrides construits en mélangeant quatre domaines entre les séquences de C. roseus (indiqué par C) et de R. serpentina (indiqué par R). La première lettre des SGD hybrides sur l'axe des x est le domaine 1, la deuxième lettre le domaine 2 et ainsi de suite. Les données sont présentées sous forme de moyenne ± s.d. (n = 3) (a,c). *P < 0,01 ; **P <0,0001. Test t bilatéral de Student. D'autres analyses statistiques sont disponibles dans le fichier de données source. Crédit :Nature (2022). DOI :10.1038/s41586-022-05157-3
À l'été et à l'automne 2019, certains patients atteints de cancer ont connu des interruptions de leur traitement. La raison en était une pénurie des médicaments vinblastine et vincristine, des médicaments chimiothérapeutiques essentiels pour plusieurs types de cancer.
Il n'y a pas d'alternative à ces médicaments qui sont isolés des feuilles de la pervenche de Madagascar, Catharanthus roseus. Deux ingrédients actifs de la plante, la vindoline et la catharanthine, forment ensemble la vinblastine, qui inhibe la division des cellules cancéreuses.
Bien que la plante soit commune, il faut plus de 2000 kg de feuilles séchées pour produire 1 g de vinblastine. La pénurie de 2019 qui a duré jusqu'en 2021 a été principalement causée par des retards dans l'approvisionnement de ces ingrédients.
Une équipe internationale interdisciplinaire de scientifiques dirigée par des chercheurs du DTU a génétiquement modifié la levure pour produire de la vindoline et de la catharanthine. Ils sont également parvenus à purifier et à coupler les deux précurseurs pour former la vinblastine. Ainsi, une nouvelle approche synthétique de fabrication de ces médicaments a été découverte. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue Nature .
La recherche pourrait déboucher sur de nouvelles sources de vindoline, de catharanthine et d'autres alcaloïdes totalement indépendants des facteurs affectant les cultures, tels que les maladies des plantes et les catastrophes naturelles. Étant donné que les ingrédients essentiels pour fabriquer ces composés sont la levure de boulanger et de simples substrats renouvelables tels que les sucres et les acides aminés, la production est également moins vulnérable aux pandémies et aux défis logistiques mondiaux, selon le chercheur principal de DTU Biosustain, Jie Zhang, auteur principal du nouveau papier :
« Au cours des dernières années, nous avons constaté plusieurs cas de pénurie de ces médicaments sur le marché. Ils se produisent plus souvent et se reproduiront très probablement à l'avenir. Bien sûr, nous envisageons d'établir de nouvelles chaînes d'approvisionnement pour ces molécules et d'autres. Ce résultat est une preuve de concept, et il reste encore un long chemin à parcourir en termes de mise à l'échelle et d'optimisation de l'usine de cellules pour produire les ingrédients de manière rentable."
La nouvelle chaîne d'approvisionnement possible pour les médicaments anticancéreux
En plus d'être la première étude à démontrer une chaîne d'approvisionnement entièrement nouvelle pour ces médicaments essentiels contre le cancer, l'étude présente la plus longue voie de biosynthèse - ou "chaîne d'assemblage" - insérée dans une usine de cellules microbiennes. Selon Jie Zhang, ce dernier est un résultat prometteur en soi.
La vinblastine appartient aux soi-disant alcaloïdes indoliques monoterpéniques, en bref, les MIA. Les MIA sont très actifs sur le plan biologique et utiles dans le traitement de diverses maladies. Cependant, ce sont des molécules très complexes et, par conséquent, difficiles à produire par synthèse. Cette étude visait à prouver que les chercheurs pouvaient le faire.
"Pour prouver la faisabilité de la fabrication microbienne de tous les MIA, nous avons choisi l'un des produits chimiques les plus complexes connus de la chimie végétale. Nous ne connaissions pas la voie complète nécessaire pour fabriquer la vinblastine lorsque nous avons commencé en 2015. Nous n'étions pas non plus au courant des pénuries auxquelles la société est confrontée. C'était la voie la plus longue que nous connaissions, et nous savions qu'elle encodait probablement une trentaine de réactions enzymatiques. Le grand défi était de savoir comment programmer une seule cellule de levure avec plus de 30 étapes tout en s'assurant que la cellule reprogrammée fonctionnerait selon les besoins tout en étant capable de subvenir à ses besoins. C'était le principal défi et la plus grande partie de notre recherche. Ce n'était pas simple du tout », explique Jie Zhang.
Michael Krogh Jensen, chercheur principal au DTU et l'un des auteurs correspondants de l'étude, ajoute :"Nous devons mettre le bon 'personnel' le long de la chaîne de montage de la cellule. Nous avons également besoin d'une supplémentation d'autres chaînes de montage déjà présentes dans la cellule de levure pour faire il faut que tout se passe bien. Nous avons besoin de ce qu'on appelle des cofacteurs. Il faut aussi s'assurer qu'en même temps, le matériel de départ est en place pour d'autres fonctions essentielles de la cellule."
L'équipe a effectué cinquante-six modifications génétiques pour programmer la voie de biosynthèse en 31 étapes dans la levure de boulanger. Bien que le travail ait été difficile et que des travaux supplémentaires soient nécessaires, les auteurs s'attendent à ce que les cellules de levure constituent une plate-forme évolutive pour produire plus de 3 000 AMI d'origine naturelle et des millions d'analogues nouveaux dans la nature à l'avenir.
"Dans ce projet, nous recherchions de nouvelles façons de fabriquer une chimie complexe essentielle à la santé humaine, bien que la technologie puisse également être utile dans l'agriculture et les sciences des matériaux. La biotechnologie offre quelque chose d'excitant car la synthèse chimique est difficile à mettre à l'échelle et les ressources naturelles sont limitées. . Nous pensons qu'une troisième approche est nécessaire :la fermentation ou la fabrication de cellules entières. Les chaînes de montage connues de la nature sont connectées à des cellules microbiennes et permettent aux cellules de produire certains de ces produits chimiques complexes", explique Michael Krogh Jensen.
Selon les auteurs, parmi les nombreux nouveaux AIM essentiels qui peuvent désormais être produits sur la base de leur nouvelle plate-forme figurent les médicaments chimiothérapeutiques vincristine, irinotécan et topotécan. Tous ces médicaments figurent également sur la liste des médicaments essentiels de l'Organisation mondiale de la santé, avec la vinblastine.
La recherche souligne en outre les développements récents de la biologie synthétique, où la levure modifiée est utilisée pour la production de médicaments. D'autres molécules que les usines cellulaires peuvent désormais produire comprennent des médicaments potentiels pour le traitement du cancer, de la douleur, du paludisme et de la maladie de Parkinson.
La production de médicaments provenant de plantes dans des fermenteurs à l'échelle industrielle utilisant des substrats bon marché et renouvelables peut atténuer les pénuries futures et créer une économie plus durable indépendante des organismes d'élevage ou rares.
L'auteur correspondant Jay D. Keasling, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'Université de Californie à Berkeley et directeur scientifique de DTU Biosustain, a longtemps été un pionnier de la biologie synthétique à l'avant-garde en l'utilisant pour produire des molécules essentielles. Exemple :En 2003, il a réussi à concevoir la bactérie E. coli pour produire un précurseur de l'artémisinine, un médicament antipaludéen. Plus tard, il concevra toute la voie dans les cellules de levure, un peu comme les cellules de levure peuvent maintenant être utilisées pour produire de la vindoline et de la catharanthine.
"La voie métabolique que nous avons construite dans la levure est la voie de biosynthèse la plus longue qui ait jamais été reconstituée dans un micro-organisme. Ce travail démontre que des voies métaboliques très longues et compliquées peuvent être empruntées à presque n'importe quel organisme et reconstituées dans la levure pour fournir des traitements thérapeutiques indispensables qui sont trop compliqués à synthétiser à l'aide de la chimie de synthèse. Parce que la levure est intrinsèquement évolutive, cette levure modifiée pourrait un jour fournir de la vinblastine ainsi que les 3 000 autres molécules apparentées de cette famille de produits naturels. Non seulement cela augmentera l'approvisionnement et réduira le coût de ces produits pour les consommateurs, mais la production est également respectueuse de l'environnement car elle élimine le besoin de récolter des plantes parfois rares dans des écosystèmes sensibles pour obtenir les molécules." Une recherche historique sur la pervenche de Madagascar dévoile la voie vers des médicaments anticancéreux
