Les plantes sont des chimistes accomplis, utilisant l'énergie du soleil et le dioxyde de carbone de l'air pour créer une gamme éblouissante de produits naturels complexes d'une manière qui ne peut pas être reproduite synthétiquement en laboratoire.
Le véritable potentiel de cette superpuissance commence seulement maintenant à être pleinement exploité grâce aux progrès réalisés dans la collecte de données génomiques, l’IA et la biotechnologie.
Les chercheurs du groupe du professeur Anne Osbourn FRS du John Innes Center ont utilisé ces approches dans une nouvelle étude qui entrevoit l'avenir de la découverte rapide de médicaments et de produits naturels.
Pour l'article « L'exploitation minière à grande échelle de divers génomes végétaux révèle la diversité cachée de la fonction de l'oxydosqualène cyclase », publié dans Nature Chimique Biologieils ont étudié les triterpènes qui ont des fonctions importantes dans les plantes, se défendant contre les ravageurs et les agents pathogènes, façonnant le microbiome des racines et influençant la qualité des récoltes.
Les triterpènes constituent le groupe de produits naturels végétaux le plus vaste et le plus complexe sur le plan structurel et constituent une riche source de molécules bioactives présentant un intérêt médical et commercial considérable.
Les exemples incluent l'adjuvant vaccinal QS-21 produit par l'écorce de savon chilienne Quillaja saponaria, le composé anti-inflammatoire escine du marronnier d'Inde et les insecticides respectueux des abeilles produits par l'arbre Neem.
Tous les triterpènes commencent par la même molécule chimique de départ et se diversifient grâce aux actions d'enzymes appelées oxydosqualène cyclases (OSC) qui façonnent et plient la molécule d'origine dans un processus comparable à l'origami chimique.
Dans cette étude, le groupe Osbourn a entrepris de suivre ces enzymes, dont seule une petite fraction a été étudiée en action. Ils ont systématiquement extrait les séquences du génome de 599 plantes représentant près de 400 espèces, disponibles sous forme d'enregistrements électroniques, à la recherche de gènes codant pour les OSC.
Sur un total de 1 400 séquences initiales de gènes OSC retrouvées et identifiées, ils en ont sélectionné 20 pour une validation fonctionnelle.
Ces 20 gènes ont été synthétisés à l'aide de techniques de biologie moléculaire, puis transférés dans un parent sauvage du tabac cultivé, qui forme un système d'expression transitoire à base de plantes à haut rendement, mis au point par le Centre John Innes et maintenant exploité commercialement par des partenaires.
En testant les produits de ces gènes et enzymes, l’équipe :
- Découverte de produits chimiques complètement nouveaux qui pourraient être utilisés comme pistes de médicaments
- Structures triterpéniques « orphelines » réunies (celles dont l’existence était connue mais pour lesquelles les exemples d’OSC qui les produisaient n’étaient pas connus) avec leur OSC parent.
- Des produits chimiques trouvés qui donnent des indices intéressants sur les voyages évolutifs des OSC.
Le premier auteur commun de l'étude, le Dr Michael Stephenson, nouveau chef de groupe à l'Université d'East Anglia et scientifique invité au John Innes Centre, a déclaré : « Nous avons été surpris par le nombre de résultats différents générés à partir d'un petit échantillon de nos gènes extraits. Presque tous les gènes testés ont produit un résultat intéressant, dont beaucoup ont ouvert des voies potentielles pour une exploration plus approfondie.
« Le plus intéressant, c'est que ce projet a permis de découvrir une nouvelle chimie sans jamais avoir à se procurer et à manipuler du matériel végétal provenant des espèces qui le produisent dans la nature. »
L'étude offre un exemple clair d'utilisation d'approches informatiques pour explorer la « matière noire » des génomes végétaux, accélérant le processus de découverte de gènes avant d'utiliser la biologie moléculaire et les systèmes d'expression transitoire pour produire une chimie utile à grande échelle pour la médecine et une série d'applications commerciales.
L'auteur correspondant, le professeur Anne Osbourn FRS, a déclaré : « Nous disposons actuellement des séquences génomiques d'environ 1 800 espèces végétales, mais ce chiffre connaît une expansion exponentielle. Il existe environ 450 000 espèces végétales connues, qui sont toutes susceptibles de produire une chimie utile et intéressante ; ce n'est que la pointe de l'iceberg de ce qui est possible.
L’une des prochaines étapes de cette recherche consiste à travailler avec des partenaires industriels pour explorer les produits chimiques découverts pour leur potentiel en tant que composés principaux ou éléments constitutifs de la découverte de médicaments. Le groupe Osbourn utilise également ce pipeline pour rechercher d’autres OSC afin d’élargir l’éventail des enzymes étudiées.
Le travail fournit également un accès pratique à des structures très complexes qui sont peu pratiques à produire en utilisant la chimie de synthèse.
« Nous exploitons le pouvoir des plantes pour fabriquer des médicaments à partir de la lumière du soleil et de l'air ambiant », conclut le Dr Stephenson.
