Un an­ti­bio­tique dé­cou­vert dans la canne à sucre MÉ­DE­CINE

L’al­bi­ci­dine a la pro­prié­té de blo­quer la ré­pli­ca­tion de l’ADN bac­té­rien. La des­crip­tion ré­cente que nous avons pu don­ner de la struc­ture de cette mo­lé­cule en fait dé­sor­mais un can­di­dat prometteur pour le dé­ve­lop­pe­ment d’un an­ti­bio­tique. Re­tour sur trente

La Recherche - - Sommaire /juin 2017 - N°524 - Stéphane Co­cian­cich, Mo­nique Royer et Phi­lippe Rott

Dé­cou­vrir de nou­velles mo­lé­cules an­ti­bio­tiques est un en­jeu ma­jeur. La ré­sis­tance des bac­té­ries pa­tho­gènes pro­gresse sans cesse. Au point que, pour cer­tains cas, les mé­de­cins ne dis­posent plus de trai­te­ments pour des ma­lades in­fec­tés par des bac­té­ries mul­ti­ré­sis­tantes. Pour re­mé­dier à cette si­tua­tion, les bio­lo­gistes ex­plorent in­ten­si­ve­ment de nou­velles sources de mo­lé­cules an­ti­bio­tiques. Notre équipe s’in­té­resse aux armes bio­lo­giques, ici de pe­tites mo­lé­cules, que pro­duisent les mi­cro-or­ga­nismes pour pa­ra­si­ter les plantes. Depuis plus de vingt ans, nous tra­vaillons sur une mo­lé­cule pro­met­teuse, l’al­bi­ci­dine. Elle est syn­thé­ti­sée par une bac­té­rie, Xan­tho­mo­nas al­bi­li­neans, qui s’at­taque à la canne à sucre. Nos tra­vaux ont contri­bué à iden­ti­fier la voie de syn­thèse et la struc­ture de cette mo­lé­cule. Des col­la­bo­ra­teurs al­le­mands ont réus­si à fa­bri­quer chi­mi­que­ment des mo­lé­cules ana­logues. Si les es­sais in vi­tro et in vi­vo confirment leur ef­fi­ca­ci­té, des ana­logues de l’al­bi­ci­dine pour­raient d’ici quelques an­nées re­joindre la pa­no­plie des trai­te­ments an­ti-in­fec­tieux. La dé­cou­verte de l’al­bi­ci­dine date de 1985. À l’époque, Ro­bert Birch, phy­to­pa­tho­lo­giste à l’uni­ver­si­té du Queens­land, en Aus­tra­lie, étu­die les ef­fets des­truc­teurs de X. al­bi­li­neans sur la canne à sucre. Cette bac­té­rie co­lo­nise prin­ci­pa­le­ment le xy­lème de la plante, au­tre­ment dit les tis­sus conduc­teurs de la sève brute (*). La pré­sence de cette bac­té­rie en­traîne l’ap­pa­ri­tion de lignes blanches pa­ral­lèles aux ner­vures des feuilles. Cette dé­co­lo­ra­tion due à un manque de chlo­ro­phylle peut s’étendre et conduire pro­gres­si­ve­ment à la mort de la plante. Ro­bert Birch ob­serve dans plu­sieurs cultures in vi­tro de X. al­bi­li­neans une cor­ré­la­tion entre leur ca­pa­ci­té à in­duire ces symp­tômes chlo­ro­tiques et la pré­sence d’une ac­ti­vi­té an­ti­bac­té­rienne.

Il montre qu’une mo­lé­cule, qu’il nomme al­bi­ci­dine, est à l’ori­gine de ces deux ac­ti­vi­tés (1). En ef­fet, l’al­bi­ci­dine est une phy­to­toxine qui bloque la for­ma­tion des chlo­ro­plastes dans les cel­lules de la plante. Les chlo­ro­plastes sont les usines éner­gé­tiques des cel­lules végétales. Grâce à la chlo­ro­phylle pré­sente sur leur mem­brane, ils captent la lu­mière et trans­fèrent son éner­gie à la plante. Or les chlo­ro­plastes, qui pos­sèdent de l’ADN, pré­sentent de nom­breuses si­mi­li­tudes fonc­tion­nelles avec les bac­té­ries. Pour cette rai­son, ils sont sen­sibles à l’ac­ti­vi­té d’un an­ti­bio­tique. Par la suite, Ro­bert Birch et ses col­la­bo­ra­teurs ont dé­crit le mode d’ac­tion de l’al­bi­ci­dine. Celle-ci bloque une en­zyme ab­so­lu­ment vi­tale pour la ré­pli­ca­tion de l’ADN chez les bac­té­ries et les chlo­ro­plastes, l’ADN gy­rase (2). L’ADN du chro­mo­some des bac­té­ries et des chlo­ro­plastes se trouve na­tu­rel­le­ment sous une forme dite su­per­en­rou­lée. Pour per­mettre la ré­pli­ca­tion ou la trans­crip­tion de cet ADN su­per­en­rou­lé, il faut le dé­rou­ler, ce que fait l’ADN gy­rase. Cette ac­tion blo­quée par l’al­bi­ci­dine, la bac­té­rie ne peut plus se ré­pli­quer ni pro­duire de pro­téines. Elle meurt. Pour cette rai­son, l’ADN gy­rase est une cible pri­vi­lé­giée pour lut­ter contre les in­fec­tions. D’ailleurs, plu­sieurs an­ti­bio­tiques ac­tuel- le­ment uti­li­sés en mé­de­cine sont des in­hi­bi­teurs de l’ADN gy­rase des bac­té­ries, comme les ami­no­cou­ma­rines, les qui­no­lones, etc. Mais, l’al­bi­ci­dine pré­sente de nou­veaux avan­tages par rap­port à ces mo­lé­cules : d’une part, lors­qu’elle se fixe sur l’ADN gy­rase, elle la bloque ir­ré­ver­si­ble­ment sur l’ADN bac­té­rien ; d’autre part, elle est ac­tive à des concen­tra­tions 5 à 15 fois in­fé­rieures.

Un pro­ces­sus de fa­bri­ca­tion ori­gi­nal

Ces pro­prié­tés in­édites ex­pliquent l’at­trac­ti­vi­té de l’al­bi­ci­dine pour le dé­ve­lop­pe­ment d’un nou­vel an­ti­bio­tique. En­core faut-il dé­cryp­ter les mé­ca­nismes qui conduisent à la syn­thèse de cette mo­lé­cule, et pré­ci­ser sa struc­ture chi­mique. Ce­la a été l’ob­jet des tra­vaux de notre équipe au Ci­rad, à Montpellier, pen­dant vingt ans. Pour y par­ve­nir, une po­pu­la­tion de X. al­bi­li­neans a été sou­mise à une mu­ta­gé­nèse au cours de la­quelle un trans­po­son (*) s’in­sère aléa­toi­re­ment dans la sé­quence d’ADN de la bac­té­rie, in­ac­ti­vant ain­si le gène dans le­quel il s’est in­sé­ré. Les quelque 7 000 bac­té­ries mu­tantes ob­te­nues ont été in­di­vi­duel­le­ment tes­tées pour leur ca­pa­ci­té à pro­duire de l’al­bi­ci­dine. Cin­quante mu­tants in­ca­pables de la syn­thé­ti­ser ont été re­cen­sés, et pour cha­cun d’eux, le site d’in­ser­tion du trans­po­son

a été sé­quen­cé, per­met­tant ain­si d’iden­ti­fier à chaque fois un gène im­pli­qué dans la bio­syn­thèse de l’al­bi­ci­dine. Nous avons ain­si dé­cou­vert qu’au to­tal, 22 gènes sont re­quis pour syn­thé­ti­ser l’al­bi­ci­dine, dont 20 sont re­grou­pés dans la même por­tion du gé­nome. Au sein de ce grou­pe­ment de gènes, nous en avons iden­ti­fié trois qui nous ont per­mis de com­prendre que l’al­bi­ci­dine est pro­duite par une voie ori­gi­nale. Dans la plu­part des cas, les bac­té­ries, au même titre que l’en­semble des êtres vi­vants, pro­duisent des pep­tides grâce à un com­plexe mo­lé­cu­laire, le ri­bo­some. Ce­lui-ci tra­duit, grâce au code gé­né­tique, l’ARN en pep­tides. Or, les trois gènes dé­cou­verts codent des en­zymes im­pli­quées dans la bio­syn­thèse non ri­bo­so­mique de pep­tides. Ce­la si­gni­fie que la fa­bri­ca­tion de l’al­bi­ci­dine ne passe pas par le ri­bo­some, mais par une voie ap­pe­lée NRPS (pour « non­ri­bo­so­mal pep­tide syn­the­sis »). Cette voie est uti­li­sée par cer­taines bac­té­ries et cer­tains cham­pi­gnons mi­cro­sco­piques pour syn­thé­ti­ser des pep­tides qui ne sont pas im­pli­qués dans l’as­si­mi­la­tion des nu­tri­ments et dans leur dé­ve­lop­pe­ment. On parle de mé­ta­bo­lites se­con­daires.

Une struc­ture inédite

L’iden­ti­fi­ca­tion de ces gènes a éga­le­ment li­vré des in­dices sur la com­po­si­tion et la struc­ture de l’al­bi­ci­dine. En connais­sant les en­zymes NRPS im­pli­quées dans la syn­thèse de l’al­bi­ci­dine, nous avons pré­dit, grâce à des lo­gi­ciels, les mo­lé­cules sus­cep­tibles d’en­trer dans la com­po­si­tion de l’al­bi­ci­dine. Sur ces bases, nous avons pro­po­sé, voi­ci une di­zaine d’an­nées, une struc­ture théo­rique du sque­lette car­bo­né de l’al­bi­ci­dine (3). D’après les ré­sul­tats ob­te­nus an­té­rieu­re­ment par Ro­bert Birch (pré­sence de cycles aro­ma­tiques), d’une part, et la pré­sence dans le grou­pe­ment de gènes de bio­syn­thèse de l’al­bi­ci­dine d’un gène co­dant une pa­ra-hy­droxy­ben­zoate li­gase, d’autre part, nous avons émis l’hy­po­thèse que la mo­lé­cule contient de l’acide pa­ra-ami­no­ben­zoïque. L’ana­lyse in si­li­co des gènes de bio­syn­thèse de l’al­bi­ci­dine ap­porte des in­for­ma­tions sup­plé­men­taires sur son mode de fa­bri­ca­tion. En ef­fet, la pré­sence de gènes co­dant des en­zymes ayant des fonc­tions de mo­di­fi­ca­tion struc­tu­rale (mé­thy­lases ou hy­droxy­lases, par exemple) sug­gère la pré­sence de grou­pe­ments mé­thyles et hy­droxyles dans la struc­ture de l’al­bi­ci­dine. Afin d’af­fi­ner la com­po­si­tion et la struc­ture de l’al­bi­ci­dine, des ana­lyses bio­chi­miques ont été né­ces­saires. Mais pour faire ce tra­vail, nous avons dû contour­ner un obs­tacle : comme beau­coup de mé­ta­bo­lites se­con­daires, et parce qu’elle est ac­tive à des concen­tra­tions na­no­mo­laires, l’al­bi­ci­dine est syn­thé­ti­sée par X. al­bi­li­neans en très faible quan­ti­té. Cette « pro­prié­té » a re­pré­sen­té pen­dant quinze ans un pro­blème ma­jeur pour la ca­rac­té­ri­sa­tion de sa struc­ture. C’est pour­quoi nous avons dé­ve­lop­pé un sys­tème de sur­pro­duc­tion de l’al­bi­ci­dine. Nous avons trans­fé­ré

les 22 gènes de bio­syn­thèse chez un hôte hé­té­ro­logue (4 ) , ce qui a per­mis d’aug­men­ter les ren­de­ments de pro­duc­tion et d’ob­te­nir les quelques mil­li­grammes d’al­bi­ci­dine pure re­quis pour les ana­lyses struc­tu­rales. Nous avons ain­si pro­duit plus de 500 litres de cultures bac­té­riennes pour iso­ler, après plu­sieurs étapes chro­ma­to­gra­phiques, 3 mil­li­grammes d’al­bi­ci­dine pure. Ce pro­duit a été ana­ly­sé en spec­tro­mé­trie de masse (MS) et par ré­so­nance ma­gné­tique nu­cléaire (RMN) par l’équipe de Ro­de­rich Süss­muth, chi­miste à l’Uni­ver­si­té tech­nique de Ber­lin. La masse de la mo­lé­cule a été me­su­rée de ma­nière ex­trê­me­ment pré­cise : 842,2695 dal­tons (*). Une avan­cée ma­jeure dans l’élu­ci­da­tion de la struc­ture de l’al­bi­ci­dine a été ob­te­nue par l’ana­lyse en spec­tro­mé­trie de masse d’al­bi­ci­dine mar­quée à l’azote 15 ( 15N, iso­tope na­tu­rel non ra­dio­ac­tif de l’azote, qui pèse se 1 dal­ton de plus). Un sur­plus de six dal­tons s par rap­port à la masse de l’al­bi­ci­dine non mar­quée a été ob­ser­vé, in­di­quant que l’al­bi­ci­dine contient sixx atomes d’azote. Des ana­lyses ses sup­plé­men­taires ont été réa­li­sées éa­li­sées sur des frag­ments de la mo­lé­cu­le­lé­cule ob­te­nus en la « cas­sant » au ni­veau de liai­son­si­sons moins so­lides (en gé­né­ral, les liai­sons pep­ti­diques) dans le spec­tro­mètre de masse. La com­pa­rai­son de la masse de cha­cun des frag­ments d’al­bi­ci­dine mar­quée à l’azote 15 avec celle des frag­ments d’al­bi­ci­dine non mar­quée in­dique le nombre d’atomes d’azote pré­sents dans cha­cun de ces frag­ments, per­met­tant de dé­cryp­ter peu à peu la struc­ture de la mo­lé­cule. Plu­sieurs tech­niques de ré­so­nance ma­gné­tique nu­cléaire ont aus­si été uti­li­sées afin de dé­crire l’en­vi­ron­ne­ment de chaque atome de car­bone et dé­fi­nir quels en sont les atomes voi­sins. Fi­na­le­ment, en confron­tant les don­nées de l’ana­lyse struc­tu­rale de l’al­bi­ci­dine pure (MS et RMN) avec les don­nées de pré­dic­tion ob­te­nues lors de l’ana­lyse des gènes de bio­syn­thèse, nous avons dé­ter­mi­né sa struc­ture inédite et très ori­gi­nale (5). Ré­sul­tat : la mo­lé­cule d’al­bi­ci­dine se com­pose no­tam­ment de cinq acides ami­nés dont cer­tains n’ont ja­mais été dé­crits au­pa­ra­vant dans des pep­tides syn­thé­ti­sés par la voie non ri­bo­so­mique. L’ex­tré­mi­té de la mo­lé­cule d’al­bi­ci­dine est un dé­ri­vé de l’acide cou­ma­rique. L’al­bi­ci­dine contient aus­si deux mo­lé­cules d’acide pa­ra-ami- no­ben­zoïque et deux mo­lé­cules hy­droxy­lées et mé­thoxy­lées d’acide pa­ra-ami­no­ben­zoïque. En­fin, dans la par­tie cen­trale de l’al­bi­ci­dine se trouve une cya­noa­la­nine. Outre la ra­re­té de ce der­nier sub­strat, c’est sa na­ture même qui in­ter­pelle car c’est une as­pa­ra­gine qui était pré­dite à cette po­si­tion, mais l’ana­lyse de la sé­quence de l’en­zyme NRPS concer­née in­dique qu’elle pos­sède un com­plexe mo­lé­cu­laire inconnu, pro­ba­ble­ment res­pon­sable de la conver­sion de l’as­pa­ra­gine en cya­noa­la­nine. L’équipe de Ro­de­rich Süss­muth a ré­cem­ment mis au point un pro­to­cole de syn­thèse chi­mique to­tale de l’al­bi­ci­dine. Elle l’uti­lise ac­tuel­le­ment pour syn­thé­ti­ser des cen­taines d’ana­logues struc­tu­raux qui se­ront testés pour leur ac­ti­vi­té an­ti­bac­té­rienne, mais aus­si pour d’autres ac­ti­vi­tés bio­lo­giques, comme des ac­ti­vi­tés an­ti­fon­giques, ain­si que pour vé­ri­fier leur non-toxi­ci­té. Si un ou plu­sieurs de ces ana­logues pré­sentent des pro­prié­tés in­té­res­santes, on pour­ra en en­vi­sa­ger le dé­ve­lop­pe­ment comme an­ti­bio­tique. Mais tout ce­la pren­dra en­core des an­nées. La des­crip­tion ré­cente de la struc­ture de l’al­bi­ci­dine était le préa­lable à une éven­tuelle ex­ploi­ta­tion com­mer­ciale de cette mo­lé­cule. Elle re­pré­sente donc une avan­cée ma­jeure. Les tra­vaux me­nés jus­qu’à pré­sent sur cette mo­lé­cule ont né­ces­si­té une bonne dose de pa­tience, mais aus­si un peu de chance : en ef­fet, trois jours seule­ment après notre pu­bli­ca­tion en ligne de la struc­ture de l’al­bi­ci­dine, est pa­rue une pu­bli­ca­tion re­la­tant la dé­cou­verte et la ca­rac­té­ri­sa­tion struc­tu­rale de la cys­to­bac­ta­mide, un mé­ta­bo­lite se­con­daire an­ti­bio­tique pro­duit par une bac­té­rie du sol, et dont la struc­ture est qua­si sem­blable à celle de l’al­bi­ci­dine. (1) R. G. Birch et al., J. Gen. Mi­cro­biol., 131 , 1069, 1985. (2) S. M. Ha­shi­mi et al., An­ti­mi­crob. Agents Che­mo­ther., 51, 181, 2007. (3) M. Royer et al., Mol. Plant-Mi­crobe In­te­ract., 17, 414, 2004. (4 ) E. Vi­vien et al., An­ti­mi­crob. Agents Che­mo­ther., 51, 1549, 2007. (5) S. Co­cian­cich et al., Nat. Chem. Biol., 11, 195, 2015.

3 PHYTOPATHOLOGISTES Stéphane Co­cian­cich (1) et Mo­nique Royer (2), du Centre de coopération in­ter­na­tio­nale en re­cherche agro­no­mique pour le dé­ve­lop­pe­ment, et le pro­fes­seur Phi­lippe Rott (3) sont spé­cia­listes des mi­cro-or­ga­nismes pa­tho­gènes des plantes.

1

2

L’al­bi­ci­dine a été dé­cou­verte par Ro­bert Birch, phy­to­pa­tho­lo­giste aus­tra­lien qui étu­diait la dé­co­lo­ra­tion due à un manque de chlo­ro­phylle (chlo­rose) des feuilles de canne à sucre ma­lades.

FEUILLE SAINE

La struc­ture de l’al­bi­ci­dine pré­sente dif­fé­rents consti­tuants liés entre eux par des liai­sons pep­ti­diques : un dé­ri­vé de l’acide cou­ma­rique (en gris) ; de l’acide pa­ra-ami­no­ben­zoïque (en jaune) ; de la cya­noa­la­nine (en orange) ; et un dé­ri­vé hy­droxy­lé et mé­thoxy­lé de l’acide pa­ra-ami­no­ben­zoïque (en rose).

Newspapers in French

Newspapers from France

© PressReader. All rights reserved.