Les chimistes de Scripps Research ont efficacement créé trois familles de complexes, molécules contenant de l'oxygène qui ne peuvent normalement être obtenues qu'à partir de plantes.

Ces molécules, appelés terpènes, sont des points de départ potentiels pour de nouveaux médicaments et autres produits de grande valeur, marquant un développement important pour de multiples industries. En outre, la nouvelle approche pourrait permettre aux chimistes de construire de nombreuses autres classes de composés.

L'exploit de chimie est détaillé dans l'édition du 13 août du journal Science .

La clé de cette nouvelle méthode de fabrication de molécules est l'exploitation, ou détournement, d'enzymes naturelles—de bactéries, dans ce cas, pour aider à des transformations chimiques complexes qui ont été impraticables ou impossibles avec les seules techniques de chimie de synthèse, dit le chercheur principal Hans Renata, Doctorat., professeur adjoint au département de chimie de Scripps Research.

Les enzymes naturelles qui aident à construire des molécules dans les cellules n'effectuent généralement qu'une ou deux tâches très spécifiques. Mais l'équipe de Scripps Research a montré que les enzymes naturelles, même sans modification, peut être fait pour effectuer un plus large éventail de tâches.

"Nous pensons qu'en général, les enzymes sont une ressource en grande partie inexploitée pour résoudre des problèmes de synthèse chimique, " dit Renata. " Les enzymes ont tendance à avoir un certain degré d'activité de promiscuité, en termes de leur capacité à stimuler des réactions chimiques au-delà de leur tâche principale, et nous avons pu en profiter ici."

Exploiter les talents cachés des enzymes

Les enzymes aident à construire des molécules dans toutes les plantes, espèces animales et microbiennes. Inspirés par leur efficacité à construire des molécules très complexes, les chimistes depuis plus d'un demi-siècle utilisent des enzymes en laboratoire pour aider à construire des composés précieux, y compris les composés médicamenteux, mais généralement ces composés sont les mêmes molécules que les enzymes aident à construire dans la nature.

Exploiter les enzymes naturelles de manière plus large, selon leur activité biochimique de base, est une nouvelle stratégie au potentiel énorme.

"Notre point de vue maintenant est que chaque fois que nous voulons synthétiser une molécule complexe, la solution existe probablement déjà parmi les enzymes de la nature - il suffit de savoir comment trouver les enzymes qui fonctionneront, " dit l'auteur principal Ben Shen, Doctorat., président du Département de chimie sur le campus de Floride et directeur du Centre de découverte des produits naturels de Scripps Research.

L'équipe a réussi à faire connaître neuf terpènes produits à Isodon, une famille de plantes à fleurs apparentées à la menthe. Les composés complexes appartiennent à trois familles de terpènes de structures chimiques apparentées :les ent-kauranes, ent-atisanes, et ent-trachylobanes. Les membres de ces familles de terpènes ont un large éventail d'activités biologiques, notamment la suppression de l'inflammation et de la croissance tumorale.

La recette du succès de la synthèse

La synthèse de chaque composé, en moins de 10 étapes pour chacun, était un processus hybride combinant les méthodes de synthèse organique actuelles avec la synthèse enzymatique à partir d'un composé peu coûteux appelé stévioside, le composant principal de l'édulcorant artificiel Stevia.

L'obstacle principal était le remplacement direct des atomes d'hydrogène par des atomes d'oxygène dans un motif complexe sur le squelette d'atomes de carbone du composé de départ. Les méthodes actuelles de synthèse organique ont un arsenal limité pour de telles transformations. Cependant, la nature a produit de nombreuses enzymes qui peuvent permettre ces transformations, chacune capable de remplir sa fonction avec un degré de contrôle inégalé par les méthodes artificielles.

"Etant un groupe de recherche interdisciplinaire, nous étions pleinement conscients des limites des méthodes actuelles de synthèse organique, mais aussi des nombreuses façons uniques dont les enzymes peuvent surmonter ces limitations - et nous avons eu la perspicacité de combiner la chimie synthétique traditionnelle avec des méthodes enzymatiques de manière synergique, " dit Renata.

Les trois enzymes utilisées, qui ont été identifiés et caractérisés par Shen, Renata et ses collègues l'année dernière seulement, sont produites naturellement par une bactérie, l'une des 200, Plus de 000 espèces dans la collection de souches microbiennes du Centre de découverte des produits naturels de Scripps Research.

"Nous avons pu utiliser ces enzymes non seulement pour modifier les molécules de départ, ou des échafaudages comme nous les appelons, mais aussi transformer un échafaudage en un autre pour que l'on puisse transformer un terpène d'une famille en un terpène d'une autre famille, " dit la deuxième auteur Emma King-Smith, un doctorat étudiant au laboratoire Renata.

Les chimistes ont maintenant l'intention d'utiliser leur nouvelle approche pour produire des quantités utiles des neuf composés, ainsi que des variantes chimiques des composés, et, avec des laboratoires collaborateurs, explorer leurs propriétés en tant que médicaments potentiels ou autres produits.

« Avec notre stratégie, nous pouvons fabriquer ces diterpènes fortement oxydés beaucoup plus facilement et en plus grande quantité qu'il ne serait possible en les isolant des plantes où ils se trouvent naturellement, " dit le premier auteur Xiao Zhang, Doctorat., un associé de recherche postdoctoral dans le laboratoire Renata.

Tout aussi important, disent les chercheurs, ils travaillent à identifier des réactions et des enzymes qui leur permettront d'étendre leur approche à d'autres classes de molécules.

Au cœur de tous ces efforts se trouve le développement continu de méthodes pour passer au crible l'ADN des microbes et d'autres organismes afin d'identifier les enzymes qu'ils codent et de prédire les activités de ces enzymes. Des milliards d'enzymes distinctes existent dans les plantes, animaux, et les bactéries sur Terre et seule une infime fraction d'entre elles ont été répertoriées à ce jour.

"Nous sommes enthousiasmés par le potentiel de découvrir de nouvelles enzymes utiles à partir de notre bibliothèque de souches ici à Scripps Research, " dit Renata. " Nous pensons que cela nous permettra de résoudre de nombreux autres problèmes de synthèse chimique. "