Vers la biosynthèse totale des opiacés par des levures : un nouveau pas de franchi

Cette fois je ne vais pas abonder dans le sensationnel car le chemin est encore bien long avant une application industrielle des travaux conduits dans le laboratoire de bioengineering de l’Université de Stanford sous la direction du Docteur Christina Smolke. La publication des récents travaux dont j’avais relaté l’état d’avancement en septembre 2014 dans ce blog (voir le lien) a fait l’effet d’une petite bombe dans les milieux journalistiques avides de bonnes (ou de mauvaises) nouvelles. Comme Christina le reconnaît il faut maintenant oeuvrer pour améliorer le rendement de production de la thébaïne et de l’hydrocodone par des levures hautement modifiées génétiquement, comme on va le voir, d’un facteur d’environ 7 millions pour que l’opération soit envisageable industriellement. Un immense travail reste à faire pour optimiser une machinerie enzymatique extrêmement complexe essentiellement étrangère à la levure mais une étape cruciale a été franchie, et c’est l’objet de la publication dans le journal Science ( DOI: 10.1126/science.aac9373 ), la conversion enzymatique de la (S)-réticuline en l’isomère (R) après une manipulation génétique de haut vol permettant l’expression de cet enzyme afin qu’il puisse, pour le moment, réaliser cette étape essentielle vers l’obtention de thébaïne et d’hydrocodone. Pour les non-initiés, dont je fais partie, la thébaïne est le précurseur de la morphine et de la codéine, les deux médicaments les plus prescrits dans le monde et l’hydrocodone, interdite en France et de nombreux autres pays, qui est aussi un puissant analgésique présentant comme la codéine des propriétés antitussives. Ces deux molécules sont issues du pavot cultivé à cette fin. Pour produire 5 pilules de codéine et de morphine il faut un mètre carré de pavot et le pavot ne se récolte qu’une fois l’an. Ce serait donc une immense amélioration si on pouvait réaliser ce type de production avec des fermenteurs de 100 m3, une taille moyenne dans la bio-industrie.

Capture d’écran 2015-08-14 à 20.33.00Pour la petite histoire, l’équipe de Christina a inséré pas moins de 6 nouveaux gènes étrangers variés dans la levure, « éteint » l’expression d’un des gènes de la dite levure et inséré deux autres gènes modifiés comme le montre l’illustration ci-dessous, tout en réalisant des modifications profondes dans l’expression de divers gènes de la levure afin de l’orienter vers cette voie métabolique plutôt que de faire de l’alcool quand on lui donne des sucres comme toute nourriture :

Capture d’écran 2015-08-14 à 19.20.00

En gris clair, les gènes résidents de la levure, en gris sombres les gènes de la levure dont l’expression a été amplifiée, en vert les gènes issus de diverses variétés de pavot et de plantes (Papaver somniferum et bracteatum, Coptis japonica, Eschscholzia californica), en violet un gène issu du rat (Rattus norvegicus) et en orange deux gènes issus d’une bactérie (Pseudomonas putida). Les flèches surlignées représentent des gènes manipulés de telle sorte qu’ils soient exprimés dans le bon compartiment cellulaire et que l’activité de l’enzyme correspondant soit bien celle attendue. Il s’agit en particulier de l’enzyme DRS-DRR et du suivant, SalSyn, dans la voie de biosynthèse. Ces deux étapes méritent qu’on s’y attarde un peu pour bien mettre en évidence la complexité du travail réalisé à l’Université de Stanford par cette équipe restreinte.

Chimiquement et par voie de conséquence biologiquement, passer de la (S)-réticuline à son isomère (R) ne peut se faire qu’en deux étapes distinctes faisant intervenir un cofacteur appelé cytochrome P-450 dans un processus d’oxydation suivi d’une réduction et il a fallu la sagacité admirable de l’équipe de Christina Smolke qui a rapproché des chimistes et des biologistes pour découvrir que dans un pavot (P. bracteatum) un gène exprimait un enzyme hybride qui réalisait les deux étapes simultanément, une sorte d’ingénierie génétique naturelle. Il a fallu ensuite optimiser – pour le moment du moins puisque ce travail reste au stade actuel démonstratif de la faisabilité du processus – l’étape suivante catalysée par l’enzyme appelé SalSyn qui fait apparaître un nouveau cycle à 6 atomes pour produire la salutaridine toujours avec l’aide d’un cytochrome. Cet enzyme est normalement recouvert d’un sucre, on dit qu’il est glycosylé dans la plante, mais ça ne marchait pas du tout dans la levure. Il a donc aussi fallu modifier le gène de cet enzyme afin qu’il se conforme correctement dans la cellule de levure et fonctionne de manière satisfaisante.

Passons sur la sophistication stupéfiante du travail réalisé, toujours est-il qu’au final ces levures fabriquent bien au final de l’hydrocodone et de la thébaïne, les deux produits susceptibles d’être utilisés pour synthétiser la codéine et la morphine en s’affranchissant de la culture risquée du pavot. Au total il aura fallu mettre en œuvre l’expression de pas moins de 21 gènes étrangers, la sur-expression de deux gènes de la levure et l’extinction d’un gène de la même levure, ce qui n’est pas indiqué dans la figure ci-dessous (Stanford University) :

Capture d’écran 2015-08-15 à 08.47.24

Le Docteur Smolke est formelle, il reste beaucoup de travail à réaliser et l’excitation de la presse n’est pas encore de mise. Il a fallu plusieurs années pour réussir la production industrielle par des levures d’acide artémisinique, précurseur de l’artémisinine, une drogue active pour tuer le Plasmodium de la malaria. Le challenge réside donc maintenant dans l’optimisation de l’ensemble des promoteurs des différents gènes impliqués dans cette voie métabolique afin que la biosynthèse soit optimale tout en préservant une croissance satisfaisante des levures.

https://jacqueshenry.wordpress.com/2014/09/04/quand-les-levures-produisent-de-la-morphine-et-de-la-codeine/

Article paru dans Science aimablement communiqué par le Docteur Christina Smolke. Illustrations : Science et laboratoire du Dr Smolke

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