Les alcaloïdes de type éphédra, une classe de composés naturels dérivés de plantes du genre Ephedra, suscitent depuis longtemps l’intérêt de l’industrie pharmaceutique en raison de leurs effets stimulants et d’élargissement des voies respiratoires. Ces alcaloïdes sont utilisés pour le traitement de maladies telles que l’asthme et l’hypotension artérielle.
Bien que ces alcaloïdes soient traditionnellement extraits de plantes, on s’intéresse de plus en plus aux versions synthétiques qui offrent des propriétés améliorées et moins d’effets secondaires. Les alcaloïdes synthétiques avec des modifications sur le cycle phényle et le groupe N ont montré des effets pharmacologiques améliorés. Cependant, les méthodes de synthèse chimique actuelles sont difficiles à appliquer sur le plan environnemental et limitées dans leur portée.
Pour remédier à ces limitations, un groupe de chercheurs de l’Université de Xiamen, en Chine, dirigé par le professeur Jifeng Yuan, a cherché à développer une approche enzymatique en deux étapes plus efficace pour synthétiser des alcaloïdes de type éphédra. L’équipe a réussi à synthétiser divers alcaloïdes de type éphédra avec des rendements améliorés et a introduit de nouvelles modifications du groupe N.
Cette nouvelle approche améliore la diversité structurelle des alcaloïdes synthétiques de type éphédra, ce qui pourrait conduire à de nouveaux candidats médicaments avec des applications pharmaceutiques plus larges. Leur étude a été publié dans Recherche BioDesign le 3 septembre 2024
Les chercheurs ont d’abord cherché des enzymes adaptées au processus de synthèse. Ils ont découvert que l’acétolactate synthase de Bacillus subtilis (BsAlsS) présentait une capacité supérieure à effectuer la carboligation.
La carboligation implique la condensation d’aldéhydes aromatiques avec du pyruvate pour former des α-hydroxycétones, qui sont des intermédiaires essentiels dans la synthèse des alcaloïdes. L’efficacité de cette enzyme dans la carboligation s’est avérée cruciale pour générer une gamme d’α-hydroxycétones de la classe des phénylacétylcarbinols (PAC).
Ils ont ensuite effectué des simulations informatiques pour comparer BSAlsS avec l’enzyme bien caractérisée EcIlvBN d’Escherichia coli. Ces simulations se sont concentrées sur la recherche des sites de liaison du substrat et des résidus catalytiques de l’enzyme.
« Nous avons testé l’activité de BsAlsS en utilisant du benzaldéhyde (BAL) et du 4-hydroxybenzaldéhyde (4-HBAL), en utilisant à la fois des préparations enzymatiques purifiées et des biocatalyseurs à cellules entières. Après avoir confirmé les résultats initiaux, nous avons étendu nos tests pour inclure une variété d’aldéhydes aromatiques substitués », explique le professeur Yuan.
L’équipe a évalué des substrats avec différentes substitutions, telles que des groupes hydroxy, méthoxy et halogène, pour voir dans quelle mesure ils se convertissaient en α-hydroxycétones. L’efficacité de ces réactions a été évaluée en calculant les taux de conversion et en validant les produits à l’aide d’une technique d’instrumentation scientifique appelée spectrométrie de masse.
De plus, ils ont examiné plusieurs réductases d’imine (IRED) pour tester leur capacité à réaliser une N-alkylamination réductrice (introduction de groupes alkyles dans une amine) d’α-hydroxycétones. Les IRED comprenaient AspRedAmQ240A d’Aspergillus oryzae, IR77A208N d’Ensifer adhaerens et IRG02 de Streptomyces albidoflavus. Les activités enzymatiques ont été évaluées en testant différents partenaires aminés et en mesurant la conversion de PAC en amines secondaires.
Le rapport des équivalents d’amine a été optimisé pour améliorer les taux de conversion, et le potentiel des IRED pour générer divers alcaloïdes synthétiques de type Ephedra a été exploré. De plus, ils ont développé un système biocatalytique en un seul pot pour intégrer BsAlsS et IRG02 pour une synthèse simplifiée d’alcaloïdes de type Ephedra. Cette approche impliquait d’effectuer des réactions de carboligation et d’amination réductrice de manière séquentielle dans le même récipient. L’efficacité de cette méthode a été comparée aux procédés traditionnels en deux étapes.
Les simulations informatiques ont montré que BsAlsS possède un site de liaison de substrat similaire à EcIlvBN, indiquant son potentiel pour les réactions de carbolification. Les résultats expérimentaux ont confirmé que BsAlsS convertissait efficacement le benzaldéhyde et le 4-hydroxybenzaldéhyde en PAC et 4-hydroxy PAC, respectivement, annulant l’activité d’EcIlvBN. Les biocatalyseurs à cellules entières de BsAlsS ont démontré une activité catalytique égale ou supérieure à celle des préparations enzymatiques purifiées, avec une efficacité légèrement supérieure pour le benzaldéhyde.
La BsAlsS s’est révélée être une carboligase polyvalente, atteignant une conversion de près de 100 % pour divers aldéhydes aromatiques, y compris ceux avec des substitutions hydroxyle, méthoxy et halogène. Les substrats avec des substitutions de fluor ont montré une activité plus élevée que ceux avec du chlore ou du brome, et les aldéhydes para-substitués ont généralement donné de meilleurs résultats que ceux ortho-substitués.
Parmi les IRED testés, l’IRG02 a démontré une activité supérieure dans la conversion du PAC en amines secondaires avec divers partenaires aminés. Les conditions optimisées ont montré des taux de conversion élevés pour la propargylamine et la cyclopropylamine, atteignant jusqu’à 91 % de conversion. L’IR77A208N a également montré de bonnes performances, en particulier avec l’ammoniac.
En résumé, des alcaloïdes de type éphédra avec des taux de conversion raisonnables ont été synthétisés avec succès grâce à l’approche biocatalytique séquentielle en un seul pot. Cette stratégie a permis une intégration efficace des étapes de carboligation et d’amination réductrice, bien que les réactions simultanées directes en un seul pot aient donné lieu à des rendements sous-optimaux en raison de la formation de sous-produits.
Les résultats de cette étude sont très prometteurs pour l’industrie pharmaceutique. Le professeur Yuan explique avec optimisme : « La synthèse réussie de nouveaux alcaloïdes de type éphédra à l’aide d’IRED ouvre la possibilité de développer des méthodes plus diversifiées et plus efficaces pour la production de médicaments. Les alcaloïdes modifiés par la propargylamine produits dans cette étude offrent notamment un potentiel de diversification chimique supplémentaire, ce qui pourrait conduire à la découverte de nouveaux composés thérapeutiques. »
À l’avenir, les chercheurs prévoient de continuer à affiner leurs méthodes et à élargir la diversité structurelle des alcaloïdes synthétiques grâce à l’ingénierie enzymatique, se rapprochant ainsi d’un développement de médicaments plus efficace et plus accessible.
Plus d’informations :
Peiling Wu et al, Biosynthèse de divers alcaloïdes de type éphédra via une cascade enzymatique nouvellement identifiée, Recherche BioDesign (2024). DOI: 10.34133/bdr.0048