La biosynthèse de la cyanobactérine ouvre une nouvelle classe de composés naturels pour des applications en médecine et en agriculture

Le fait que la nature soit un excellent chimiste est démontré par l’abondance de molécules, de produits dits naturels, qu’elle produit par biosynthèse. Ces produits naturels sont également d’une importance capitale pour nous, les humains. Ils sont utilisés de multiples façons dans notre vie quotidienne, notamment comme agents actifs en médecine et en agriculture. Les exemples les plus frappants sont les antibiotiques tels que les pénicilines isolées des moisissures, le médicament anticancéreux Taxol de l’if du Pacifique et les pyréthrines présentes dans les chrysanthèmes, qui sont utilisées pour lutter contre les infestations de ravageurs.

La connaissance et la compréhension de l’assemblage biosynthétique de tels composés par nature est essentielle pour le développement et la production de médicaments basés sur de tels composés. Dans ce contexte, des chercheurs des groupes du professeur Tobias Gulder (TU Dresden) et du professeur Tanja Gulder (Université de Leipzig) ont étudié conjointement la biosynthèse de la cyanobactérine, qui est hautement toxique pour les organismes photosynthétiques et est produite en petites quantités dans la nature par le cyanobactérie Scytonema hofmanni. Dans leurs travaux, les (bio)chimistes ont non seulement pu élucider pour la première fois la biosynthèse du produit naturel, mais ont également découvert une nouvelle transformation enzymatique pour la formation de liaisons carbone-carbone.

Ce travail a été rendu possible en combinant des outils modernes issus de la bioinformatique, de la biologie synthétique, de l’enzymologie et de l’analyse (bio)chimique. L’accent a été mis sur la façon dont la partie centrale du squelette carboné des cyanobactéries est produite. Les gènes putatifs pour cela ont d’abord été clonés par la méthode de « Direct Pathway Cloning » (DiPaC), puis activés dans l’organisme modèle E. coli en tant qu’usine cellulaire.

DiPaC est une nouvelle méthode de biologie synthétique précédemment développée dans le laboratoire de Tobias Gulder, professeur de biochimie technique à TU Dresden. « DiPaC nous permet de transférer très rapidement et efficacement des voies de biosynthèse complètes de produits naturels dans des systèmes hôtes recombinants », explique Tobias Gulder.

Dans l’étape suivante, l’équipe de recherche a analysé les étapes individuelles essentielles de la biosynthèse des cyanobactérines en produisant en plus toutes les enzymes clés dans l’organisme hôte E. coli, en les isolant puis en étudiant la fonction de chaque enzyme. Au cours du processus, ils sont tombés sur une classe d’enzymes jusque-là inconnue appelée furanolide synthases. Ceux-ci sont capables de catalyser la formation de liaisons carbone-carbone selon un mécanisme inhabituel. Dans d’autres études sur ces furanolides synthases, ces enzymes se sont avérées être des biocatalyseurs in vitro efficaces, ce qui les rend très attractives pour les applications biotechnologiques.

« Avec les furanolides synthases, nous avons obtenu un outil enzymatique qui nous permettra de développer à l’avenir des méthodes plus respectueuses de l’environnement pour la production de composés bioactifs et d’apporter ainsi des contributions significatives à une chimie plus durable », explique le professeur Tanja Gulder du Institut de chimie organique de l’Université de Leipzig.

Ensuite, les deux équipes de recherche souhaitent également rechercher spécifiquement ces nouveaux biocatalyseurs dans d’autres organismes, et ainsi trouver de nouveaux membres bioactifs de cette classe de produits naturels, ainsi que développer des méthodes de production biotechnologique et de diversification structurelle de la cyanobactérine. « Notre travail ouvre la voie au développement complet d’une classe passionnante de produits naturels pour des applications en médecine et en agriculture », conviennent les deux scientifiques.

La recherche a été publiée dans Nature Chimie Biologie.