La bactérie du sol Pseudomonas fluorescens, ici brillant sous la lumière ultraviolette, exsude un antibiotique appelé obafluorine qui a une nouvelle structure ß-lactone. Crédit :Washington University à St. Louis
Le composant actif de la pénicilline, un médicament miracle et des antibiotiques apparentés tels que les céphalosporines, est un "anneau enchanté, " appelé l'anneau β-lactame. Les antibiotiques qui incluent ces anneaux sont sans doute les médicaments les plus importants de l'histoire humaine, ayant à lui seul augmenté l'espérance de vie mondiale d'environ cinq ans.
"Les gens disent souvent que nous manquons d'antibiotiques, mais il y en a plus de 20, 000 molécules à activité antibiotique dans le Handbook of Antibiotics, " a déclaré Timothée Wencewicz, un chimiste à l'Université de Washington à St. Louis qui se spécialise dans la conception d'antibiotiques.
« Moins de 1 % d'entre eux ont déjà été considérés comme un candidat clinique potentiel. Ils languissent parce qu'il faut beaucoup de temps et de soins pour préparer une molécule à utiliser comme produit pharmaceutique.
Wencewicz a soigneusement choisi l'une de ces molécules, obafluorine, pour une étude plus approfondie. Oblafluorine, découvert en 1984 par le Squibb Institute, est fabriqué par une souche fluorescente de bactéries du sol qui forme des biofilms sur les racines des plantes.
Comme la pénicilline, l'obafluorine a un cycle à quatre chaînons. Un cycle à quatre chaînons exerce une pression sur les angles de liaison que le carbone préfère adopter, explique Wencewicz. "La souche transforme ces anneaux en bombes moléculaires qui se déclenchent lorsqu'elles sont placées au bon endroit au bon moment, ce qui est utile pour tuer les microbes, " il a dit.
Mais parce qu'un anneau à quatre membres est instable, ces molécules sont également de courte durée et difficiles à fabriquer. Il a fallu des années aux chimistes pour apprendre à synthétiser la pénicilline à partir de produits chimiques, puis à comprendre comment les champignons la fabriquent. L'antibiotique est encore fabriqué en fermentant une souche de champignon exsudant la pénicilline dans des cuves géantes en acier inoxydable.
Le laboratoire de Wencewicz a réussi à sauter le pas sur l'ensemble du processus, en utilisant la génétique pour se concentrer sur la machinerie biosynthétique que les bactéries utilisent pour fabriquer de l'obafluorine, puis pour reconstruire cette multi-étape, processus catalysé par une enzyme en laboratoire.
Le cycle bêta-lactame couple trois carbones et un azote, alors que le cycle bêta-lactone est constitué de trois carbones et d'un oxygène. "Ce sont essentiellement des iso-électrons, ils ont la même apparence et la même odeur, " dit Wencewicz. " Mais l'oxygène est différent de l'azote, et donc ils ont une palette différente de bioactivités et inhibent un ensemble différent d'enzymes cibles. » Crédit :Wencewicz
Wencewicz, les étudiants diplômés Mars Reck et Jason Schaffer, et de premier cycle Neha Prasad décrivent la machinerie biosynthétique complète pour l'assemblage de la -lactone obafluorine dans le numéro du 15 mai de Nature Chimie Biologie .
Les ß-lactones inhibent une grande classe d'enzymes appelées sérine hydrolases. "Il existe des centaines d'hydrolases à sérine connues, et ils sont impliqués dans de nombreuses maladies humaines, " a déclaré Wencewicz. Les -lactones peuvent s'avérer utiles dans le traitement du cancer et de l'obésité, ainsi que les maladies infectieuses.
Un chemin sombre mis en lumière
L'obafluorine est un peptide, une courte chaîne d'acides aminés liés. La plupart des peptides sont produits par une machine cellulaire appelée ribosome, qui fait une variété de peptides. Obafluorine, cependant, est assemblé non pas par le ribosome mais par la peptide synthétase non ribosomique (NRPS), une enzyme en plusieurs parties qui synthétise un seul type de peptide.
Les ribosomes fabriquent les longs peptides appelés protéines qui sont cruciaux pour la vie, dit Wencewicz. Les ribosomes ont évolué au cours de millions d'années pour être incroyablement efficaces et précis, il ajouta, mais ils utilisent un ensemble limité de blocs de construction d'acides aminés.
Les antibiotiques et autres métabolites secondaires utiles mais non essentiels à la vie sont assemblés plus ou moins à la demande par les chaînes de montage NRPS. Ces NRPS sont capables de lier des milliers de blocs de construction d'acides aminés différents pour former de petits peptides structurellement divers avec une activité biologique importante.
Les NRPS sont essentiellement une série d'enzymes enchaînées en une seule grande protéine avec de nombreux domaines, dont chacun réalise une étape d'assemblage peptidique. "Ce sont un peu comme les chaînes de montage d'Henry Ford, ", a déclaré Wencewicz.
Le laboratoire de Wencewicz a identifié le groupe de gènes de Pseudomonas fluorescent qui rend le NRPS et les cinq enzymes codées par les gènes.
La cinquième enzyme s'est avérée particulièrement intéressante. C'est une thioestérase inhabituelle responsable de la formation du cycle ß-lactone lorsque le peptide est libéré du NRPS. Contrairement aux autres enzymes thioestérases, l'obafluorine thioestérase comprend un acide aminé catalytique rare qui génère un intermédiaire thioester réactif. Cette chimie inhabituelle permet au NRPS de surmonter la barrière énergétique qui empêche autrement la formation d'un anneau tendu.
Beaucoup d'autres bagues à venir
« Nous avons maintenant une plateforme enzymatique complète pour fabriquer des peptides ß-lactones à partir de matériaux de départ simples, " a déclaré Wencewicz. " Puisque nous connaissons les séquences de gènes qui codent pour cette chaîne de montage, nous utilisons la puissance du séquençage moderne du génome pour rechercher et fabriquer de nouvelles ß-lactones fabriquées par d'autres organismes."
Quiconque connaît la longue et frustrante bataille pour produire suffisamment de pénicilline pour aider les soldats blessés pendant la Seconde Guerre mondiale ne peut que s'émerveiller devant les progrès époustouflants de la génétique et de la chimie qui ont permis au laboratoire Wencewicz de réduire le travail de plusieurs décennies en quelques années.
