Une équipe de recherche de l'Institut Max Planck d'écologie chimique d'Iéna a révélé la voie de biosynthèse complète pour la formation de strychnine dans l'espèce végétale Strychnos nux-vomica (noix empoisonnée). Les chercheurs ont identifié tous les gènes impliqués dans la biosynthèse de la strychnine et d'autres métabolites et les ont exprimés dans la plante modèle Nicotiana benthamiana. Cela leur a permis de montrer que ces molécules extrêmement complexes et pharmacologiquement importantes peuvent être synthétisées à l'aide de méthodes de « génie métabolique ».

Beaucoup d'entre nous connaissent la strychnine grâce à des rapports de crimes, des romans ou des films. Agatha Christie a fait mourir plusieurs de ses victimes d'un empoisonnement à la strychnine. Elle a décrit ce qui est probablement le cas de meurtre fictif le plus connu impliquant l'alcaloïde hautement toxique utilisé comme mort-aux-rats dans son premier roman "The Mysterious Affair at Styles".

Le dernier indice pour résoudre l'affaire a été trouvé par le célèbre personnage de détective Hercule Poirot lors de sa première apparition littéraire. En science aussi, l'instinct d'investigation et le travail de détective sont parfois nécessaires. Les chercheurs dirigés par Benke Hong et Sarah O'Connor du Département de biosynthèse des produits naturels ont non seulement dû trouver un chaînon manquant, mais aussi démêler toute la chaîne d'événements biosynthétiques qui conduisent à la formation de strychnine dans l'arbre à noix empoisonné. Pour rester dans le langage de la littérature policière, on pourrait dire :Ils ont résolu l'affaire.

Le chimiste et lauréat du prix Nobel Robert Robinson, qui fut l'un des premiers à élucider la structure de la strychnine dans les années 1940, a un jour décrit cet alcaloïde indole monoterpène comme la substance chimique la plus complexe pour sa taille moléculaire. De nombreux chimistes ont été enthousiasmés par l'architecture de la molécule de strychnine et ont développé des moyens de produire cette molécule en utilisant la synthèse chimique. Étonnamment, cependant, personne n'avait encore réussi à découvrir comment les plantes produisent ce produit naturel.

L'équipe de Benke Hong s'est maintenant attaquée à cette tâche colossale :« Notre question clé était de savoir comment trouver les gènes responsables de la biosynthèse de la strychnine dans la noix empoisonnée. Dans un premier temps, nous avons comparé l'expression des gènes (transcriptome) de deux espèces de la même genre (Strychnos), mais dont seul l'arbre à noix vénéneuse produit de la strychnine. Nous avons sélectionné des gènes candidats pour chaque étape en fonction de la transformation chimique proposée, dont nous ignorions qu'elle était correcte ou non", explique Benke Hong.

Les gènes en amont de la biosynthèse de la strychnine pour la formation d'un intermédiaire important (la geissoschizine) ont été parfaitement élucidés chez la plante médicinale Catharanthus roseus (pervenche de Madagascar), qui est également étudiée dans le département de Sarah O'Connor, et les gènes homologues ont été identifiés dans l'arbre à noix empoisonné.

De nouveaux progrès nécessitaient le don d'un détective pour combiner des indices moléculaires et génétiques, que les scientifiques appellent la logique chimique. "On pourrait dire que la chimie a guidé la découverte des gènes dans notre étude. Sur la base des structures et des mécanismes chimiques, chaque étape de la voie métabolique a abouti à une proposition de transformation chimique. À leur tour, nos spéculations sur les familles d'enzymes biosynthétiques à fonctions catalytiques étaient basées sur la réaction chimique de chaque étape », a déclaré Sarah O'Connor, chef du Département de biosynthèse des produits naturels, décrivant l'approche de recherche.

Comme preuve que les gènes identifiés étaient responsables des étapes de biosynthèse proposées, les chercheurs ont modifié des plants de tabac (Nicotiana benthamiana) pour produire temporairement les enzymes de Strychnos. Après avoir ajouté les matières premières appropriées, ils ont ensuite cherché à savoir si le produit hypothétique était produit par le plant de tabac transformé. Cette méthode a permis des tests à haut débit de plusieurs gènes simultanément, ce qui a raccourci le temps nécessaire pour résoudre le puzzle.

Les chercheurs n'ont pas été en mesure de trouver une enzyme correspondante qui catalyse la dernière étape de la biosynthèse de la strychnine, la conversion de la prestrychnine en strychnine. Ils ont réalisé au contraire que cette conversion se produit spontanément, sans enzyme. Comme c'est souvent le cas dans le travail de détective comme dans la science, le hasard est venu à la rescousse :

« La conversion spontanée de la prestrychnine en strychnine est une découverte fortuite. Elle nécessite plusieurs étapes intermédiaires, et nous pensions initialement que ce processus devait être catalysé par une ou plusieurs enzymes. En fait, nous avons étudié de nombreuses enzymes, mais aucune d'entre elles n'était réactive. . Étonnamment, un jour, j'ai découvert qu'un échantillon de prestrychnine stocké à température ambiante sur la paillasse du laboratoire s'était lentement converti en strychnine au fil du temps », explique Benke Hong.

Le mystère de la dernière étape étant résolu, les chercheurs ont ainsi pu élucider la voie de biosynthèse complète de la strychnine, ainsi que les molécules apparentées brucine et diaboline. Alors que la brucine est également produite par la noix empoisonnée, la diaboline est produite par une espèce apparentée du genre Strychnos, qui ne produit ni strychnine ni brucine. Notamment, les chercheurs ont également découvert qu'un seul changement d'acide aminé dans l'une des enzymes biosynthétiques est responsable de la différence d'accumulation d'alcaloïdes dans la noix vénéneuse et les autres espèces de Strychnos.

L'élucidation de la biosynthèse des métabolites végétaux et l'utilisation biotechnologique de la base génétique pour la formation de composés végétaux médicalement importants dans les plantes modèles sont des domaines de recherche prometteurs. L'étude actuelle ouvre de nouvelles possibilités pour la production de produits naturels végétaux jusqu'alors inconnus en utilisant des approches d'"ingénierie métabolique". + Explorer plus loin

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