Des chercheurs de l'Université de Kobe ont réussi à développer un châssis de tyrosine (une souche de micro-organisme à haute productivité de tyrosine) dans la levure Pichia pastoris grâce à une ingénierie rationnelle. De plus, ils ont utilisé ce châssis de tyrosine pour développer des cellules intelligentes capables de produire respectivement les composés d'origine végétale resvératrol, naringénine, norcoclaurine et réticuline. Ces composés ont une large gamme d'applications; par exemple, ils sont utilisés pour ajouter de la nutrition aux aliments et comme matières premières pour les médicaments. On espère que ce châssis de tyrosine pourra être utilisé comme point de départ pour la biosynthèse à haut rendement de divers composés utiles et produits chimiques génériques.

Cette étude de l'Université de Kobe a été menée par un groupe de recherche comprenant un doctorat. étudiant Kumokita Ryota (École supérieure des sciences, de la technologie et de l'innovation) et le professeur Hasunuma Tomohisa (Centre de recherche en biologie de l'ingénierie).

Ces résultats de recherche ont été publiés dans la revue scientifique internationale ACS Synthetic Biology le 16 mai 2022.

Des composés aromatiques bioactifs d'origine végétale tels que les stilbénoïdes, les flavonoïdes et les alcaloïdes benzylisoquinolines (BIA) sont produits à partir de la tyrosine. Ces composés ont une gamme variée d'applications dans de nombreuses industries, notamment la production chimique, l'industrie alimentaire, cosmétique et pharmaceutique. Ces composés aromatiques sont actuellement produits par extraction directe des plantes, mais seules de petites quantités se trouvent à l'intérieur des plantes et le rendement dépend fortement du temps et du climat. Il n'y a pas d'approvisionnement stable.

Ces dernières années, les progrès de la biologie synthétique ont conduit au développement de techniques pour produire des composés utiles. Ces techniques tirent parti de la capacité des micro-organismes à produire des substances en introduisant des voies métaboliques dérivées de plantes dans le micro-organisme afin qu'il produise le composé cible. Parmi les micro-organismes, les levures ont retenu l'attention en tant qu'hôtes pour la production de composés car elles excellent dans la biosynthèse de composés d'origine végétale. Cependant, le potentiel des levures pour produire des composés dérivés de la tyrosine n'était pas clair car peu de succès avaient été signalés.

Dans cette étude, les chercheurs ont commencé par créer une souche de levure qui pourrait produire des rendements élevés de tyrosine. En utilisant cette nouvelle souche comme point de départ, ils ont apporté des modifications à son métabolisme pour atteindre l'objectif susmentionné de produire des rendements élevés de divers composés utiles. Le type de levure sur lequel ils se sont concentrés était P. pastoris. P. pastoris se multiplie rapidement dans des conditions aérobies et ne produit pas de sous-produits de fermentation (éthanol), ce qui signifie qu'il a le potentiel de produire des rendements élevés d'un composé cible en peu de temps. Cependant, aucune étude n'avait fait état de la production de composés dérivés de la tyrosine chez P. pastoris et on ne savait pas quels gènes seraient utiles pour produire des rendements élevés. Tout en procédant à une simple évaluation de la quantité de tyrosine produite, les chercheurs ont également recherché des gènes qui améliorent la production de tyrosine. Ils ont ensuite évalué le potentiel de P. pastoris pour biosynthétiser des composés utiles dérivés de la tyrosine en introduisant des voies de biosynthèse dans la levure pour chacun des éléments suivants :le stilbénoïde resvératrol, le flavonoïde naringénine et les BIA norcoclaurine et réticuline.

Tout d'abord, les chercheurs ont cherché à trouver des gènes dans des souches de levure qui stimulent la production de tyrosine. Pour ce faire, ils se sont concentrés sur la bétaxanthine, qui peut être produite à partir de la tyrosine dans une réaction en 3 étapes (Figure 1).

La bétaxanthine est un pigment jaune qui émet une fluorescence verte. Par conséquent, il est facile d'évaluer la force du flux métabolique vers la tyrosine en examinant l'intensité et la couleur de la fluorescence. En créant cette méthode d'évaluation, les chercheurs ont découvert des gènes qui amélioraient la productivité de la tyrosine et ont utilisé ces connaissances pour développer avec succès une souche de P. pastoris à haute productivité de la tyrosine (Figure 2).

L'objectif suivant des chercheurs était d'améliorer le taux de production de divers composés utiles dérivés de la tyrosine en modifiant le métabolisme de la souche à haute productivité. Ils ont réussi à améliorer considérablement la production de resvératrol, de naringénine et de norcoclaurine en introduisant des voies de biosynthèse spécifiques (Figure 1) pour chacun, révélant que P. pastoris peut produire des rendements élevés de composés dérivés de la tyrosine (Figure 3).

Par la suite, le groupe de recherche a analysé de manière approfondie les métabolites intracellulaires de la nouvelle souche de P. pastoris qu'ils ont développée et a étudié le mécanisme de la productivité élevée de la tyrosine. Les résultats ont révélé qu'un grand nombre de métabolites de la voie shikimate impliqués dans la synthèse de la tyrosine et de la tyrosine s'accumulaient dans la souche modifiée (Figure 4). Ces résultats montrent que la modification du métabolisme a amélioré avec succès le flux métabolique vers la tyrosine. Il existe un potentiel futur pour augmenter encore la production de composés utiles qui peuvent être biosynthétisés à partir de la tyrosine en optimisant le métabolisme de la voie du shikimate.

Enfin, les chercheurs visaient à produire des composés dérivés de la tyrosine par fermentation avec du glycérol brut comme milieu de croissance. Le glycérol brut est un sous-produit majeur des déchets de la production de carburant biodiesel (une alternative potentielle au carburant pétrochimique). Le groupe de recherche a utilisé le liquide (Figure 5, à droite) obtenu à partir de la neutralisation du glycérol brut comme milieu de croissance dans une expérience de production microbienne. Dans cette expérience, ils ont réussi à produire les mêmes quantités de resvératrol, de naringénine et de norcoclaurine que lorsque du glycérol pur était utilisé. Ces résultats montrent que P. pastoris peut non seulement produire des composés utiles à partir de glycérol pur, mais également à partir de glycérol brut.

Le châssis de tyrosine développé grâce à cette recherche peut être appliqué à la production par fermentation de divers composés utiles et de produits chimiques génériques pouvant être biosynthétisés à partir de la tyrosine. De plus, les chercheurs espèrent augmenter encore la production de composés dérivés de la tyrosine en utilisant les résultats de l'analyse du métabolome de leur nouvelle souche de P. pastoris comme base pour l'optimisation des voies métaboliques. + Explorer plus loin

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