Comment le caféier fabrique la caféine

Deux milliards deux cent cinquante millions de tasses servies chaque jour, 87 millions de tonnes produites et un chiffre d’affaire de plus de 15 milliards de dollars, 26 millions de personnes vivant de cette production dans 52 pays occupant 11 millions d’hectares, voilà les statistiques du café, une plante qui, comme le cacao, le maté et le thé, contient le psychotrope le plus utilisé dans le monde, la caféine. Pas de quoi s’étonner qu’une vaste équipe de biologistes et de généticiens se soit intéressée au séquençage du génome complet du caféier et pour une fois, qui n’est plus vraiment la coutume, on doit ce travail majestueux majoritairement à des Français de l’IRD et du CEA mais en collaboration avec beaucoup d’autres laboratoires répartis presque dans le monde entier. Décrypter le génome d’une plante n’est en effet pas une amusette. La technologie moderne permet malgré quelques manipulations préalables de faire en sorte que les machines automatiques développées par des sociétés comme Illumina dont j’ai déjà parlé dans un précédent billet de ce blog ainsi que des dispositifs proposés par la société suisse Roche permettent à l’aide d’une analyse informatique sophistiquée de décrypter le génome de n’importe quel organisme vivant assez rapidement. J’avoue que je suis dépassé par la rapidité de l’évolution de la biologie. Pour que mes lecteurs comprennent quelle est ma position qui me demande un effort d’analyse devant des recherches qui parfois me dépassent, j’en suis resté à l’art de la purification d’une protéine, par exemple un enzyme, qui doit présenter tous les critères de pureté et d’activité que l’on doit attendre ou espérer. En ce qui concerne cette élucidation du génome du caféier, il se trouve que les résultats sont exceptionnellement intéressants dans la mesure ou pour que cette plante se spécialise dans la production de caféine, son patrimoine génétique s’est trouvé modifié au cours du temps de manière à privilégier la voie métabolique aboutissant à la production de cette molécule relativement simple dérivée de la xanthosine. Pour les curieux, la xanthosine est dérivée de la xanthine, une base purique de la famille de la guanine et de l’adénine, les constituants fondamentaux de l’ADN. La xanthosine est le précurseur de la caféine et de la théobromine, le principal alcaloïde du chocolat.

Mais revenons au caféier. Pour que cette plante puisse produire des quantités appréciables de caféine et par voie de conséquence soit recherchée par les milliards de consommateurs de café de par le monde, elle s’est arrangé au niveau génétique pour s’enrichir en quelques activités enzymatiques qui conduisent de la xanthosine à la caféine, pas plus compliqué que cela, encore fallait-il le démontrer. C’est ce qu’est arrivé à prouver cette équipe multinationale en réalisant une cartographie complète du génome du caféier. Quelque part et pour des raisons qui échappent à l’analyse, le caféier s’est spécialisé dans la production de caféine. Mai si on regarde de plus près cette espèce de comportement atypique il se trouve que la caféine est un insecticide qui protège le caféier des ravageurs car cette plante produit aussi de la caféine dans ses feuilles et pas seulement dans les graines. Pour les graines, les grains de café que tout le monde connait, la caféine remplit aussi un rôle bénéfique puisqu’elle inhibe la germination des autres graines qui pourraient se trouver fortuitement en compétition dans le même espace quand elle tombent au sol. Un peu comme la nicotine qui est un puissant insecticide protégeant la plante des ravageurs mais la caféine et la nicotine, deux psychotropes bien connus, n’ont rien à voir au niveau chimique.

Revenons donc à cette élucidation de la totalité du génome du caféier. Schématiquement, il est apparu que la plante s’est arrangée par un mécanisme encore inexpliqué à faire en sorte que les gènes correspondant aux enzymes impliqués dans les étapes de la biosynthèse de la caféine se retrouvent plus ou moins dans les mêmes chromosomes et soient présents en plusieurs exemplaires. C’est un peu ce que la firme Monsanto a fait avec le maïs résistant au glyphosate, faire en sorte que la plante sur-exprime dans le cas du glyphosate la cible de cet herbicide. Le caféier n’a pas attendu les technologies modernes et s’est donc arrangé lui-même pour produire des quantités impressionnantes de caféine dans le but, comme je le disais plus haut, de se protéger. On dirait presque que cette plante est intelligente. Il a fallu cependant réaliser cette étude détaillée pour élucider la totalité du génome de cette plante afin d’expliquer au niveau moléculaire la stratégie choisie pour produire de la caféine. Ce que cette étude dirigée par le Professeur Philippe Lashermes depuis longtemps impliqué dans l’étude du caféier au sein de l’IRD ( http://www.ird.fr/toute-l-actualite/actualites/communiques-et-dossiers-de-presse/sequencage-du-genome-du-cafeier ) pas seulement en ce qui concerne la caféine mais aussi de nombreuses autres molécules pharmacologiquement actives présentes dans le café.

La caféine est une molécule extraordinairement simple si on la compare à la morphine ou à la codéine (voir un précédent billet de ce blog) et à n’en pas douter n’importe quelle levure convenablement manipulée génétiquement pourrait excréter de la caféine pour la plus grande satisfaction des fabricants de boissons énergétiques. Il est beaucoup plus rentable de faire appel aux services de Nestlé par exemple (un des sponsors de la présente étude) pour se procurer de la caféine issue des procédés de décaféinisation à l’aide de CO2 supercritique à l’échelle industrielle, à tel point que la caféine est en réalité un résidu pratiquement sans valeur marchande à moins d’être incorporée dans ces dites boissons « énergétiques » dont la consommation ne cesse d’augmenter. Ces considérations mercantiles mises à part, il se trouve que le caféier à réussi un ingénieux transfert de gènes d’un chromosome vers un autre, une espèce de prouesse génétique inattendue, pour en quelque sorte regrouper sur seulement deux chromosomes au cours de l’évolution les gènes codant pour les activités enzymatiques conduisant à la synthèse de la caféine à partir de la xanthosine. Dans les faits la plante s’est arrangée pour que l’expression de ces gènes soit la plus efficace possible afin de forcer la production de caféine, un genre de manipulation rêvée par les généticiens !

Tout est (presque) dit dans les illustrations tirées de l’article paru dans la revue scientifique Science aimablement communiquée par le Docteur Lashermes. D’abord un bref rappel de la voie de biosynthèse de la caféine à partir de la xanthosine, de la xanthine fixée à un sucre (ribose), consistant en trois ajouts successifs de groupements méthyle. Ça paraît simple encore faut-il que les étapes s’effectuent dans le bon ordre et de manière synchrone, c’est la raison pour laquelle la plante a fait en sorte d’exprimer de manière optimale les enzymes nécessaires à cette synthèse, des N-méthyl transférases (NMT), chaque méthyle étant ajouté sur des azotes (N) de la xanthine :

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Il y a donc intervention de trois enzymes différents dans ce processus. D’aucuns pourraient penser qu’il peut s’agir des mêmes enzymes mais pas du tout, la particularité d’un enzyme est de remplir une fonction très précise et chaque réaction chimique dans le milieu vivant requiert un enzyme bien individualisé. Dans le cas de la biosynthèse de la caféine, les trois catalyseurs, XMT, MXMT et DXMT, respectivement xanthosine méthyl transférase, théobromine synthase et caffeine synthase, utilisent le méthyl situé sur l’aminoacide méthionine, pour faire simple.

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Cette autre illustration explique clairement ce qui s’est passé au cours de l’évolution de la plante. A partir du chromosome 1 ancestral, il y a eu des duplications de gènes puis des blocs entiers de l’ADN ont été transférés sur le chromosome 9 (en rouge) et tous les gènes codant pour les méthyl-transférases (NMT) ont été en quelque sorte regroupés pour se retrouver contrôlés de concert. L’expression des différents gènes a pu être suivie au cours du développement de la plante, des racines jusqu’à la graine mature 320 jours après la pollinisation (DAP, days after pollinisation) dans la partie droite de l’illustration.

En outre l’élucidation du génome du caféier a montré que cette plante exprimait 25574 protéines différentes dont les gènes se trouvent répartis sur 11 chromosomes dupliqués, soit 22 au total. L’étude a été réalisée sur un parent de l’arabica appellé Coffea canephora. Enfin l’acide linoléique, un acide gras polyinsaturé essentiel pour la conservation de l’arôme du café après la torréfaction est également le résultat d’un regroupement de gènes assurant sa biosynthèse optimale.

Comme quoi l’élucidation du génome complet d’une plante aussi importante que le café sur le plan commercial est riche en informations parfois inattendues.

Sources : IRD et Science. Le Docteur P. Lashermes (IRD) est ici vivement remercié pour avoir aimablement fourni le reprint de l’article paru dans Science.