Deux espèces de plantes inventent la même substance chimiquement complexe et médicalement intéressante
Différents éléments constitutifs : les plantes utilisent des voies chimiques similaires pour biosynthétiser ces composés, mais utilisent des matières premières et des enzymes différentes
Une équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck d'écologie chimique a collaboré avec des collègues internationaux pour étudier la biosynthèse des alcaloïdes de l'ipécacuanha. Ils ont comparé deux espèces de plantes et découvert que, malgré des approches chimiques similaires, les espèces utilisent des enzymes et des matières premières différentes. Ces résultats sont importants pour permettre la production de ces substances à plus grande échelle.
Les plantes produisent une énorme quantité de produits naturels. De nombreux produits naturels végétaux sont spécifiques à un ancêtre et n'existent que dans certaines familles de plantes, parfois dans une seule espèce. Il est toutefois intéressant de noter que les mêmes substances peuvent parfois être trouvées dans des espèces très éloignées les unes des autres. Dans la plupart des cas, cependant, seul le produit final est connu et la manière dont ces substances sont produites dans les plantes n'est pas claire. Les alcaloïdes de l'ipécacuanha sont présents dans deux espèces de plantes médicinales éloignées l'une de l'autre : l'ipéca Carapichea ipecacuanha, qui appartient à la famille des gentianes, et l'alangium à feuilles de sauge (Alangium salviifolium), qui appartient à la famille des cornouillers et qui est connu de la médecine ayurvédique. Des études antérieures avaient déjà montré que ces deux espèces produisaient des alcaloïdes d'ipécacuanha. En particulier, l'extrait d'ipéca ("sirop d'ipéca") était un médicament largement utilisé en pharmacie jusque dans les années 1980 (surtout en Amérique du Nord), utilisé pour provoquer des vomissements en cas d'empoisonnement. Les substances émétiques actives sont la céphaline et l'émétine, toutes deux dérivées du précurseur protoémétine, mais leur mode de production était largement inconnu. Seules deux petites études avaient identifié quelques enzymes dans l'ipéca, mais la plupart des enzymes étaient inconnues et aucune enzyme n'était connue dans l'alangium.
Pour Maite Colinas, premier auteur de l'étude et chef du groupe de projet au département de biosynthèse des produits naturels de l'Institut Max Planck d'écologie chimique, à Iéna, les questions clés étaient les suivantes : "Quel est le dernier ancêtre commun de ces espèces ? "Le dernier ancêtre commun de ces espèces vivait il y a plus de 100 millions d'années, nous avons donc émis l'hypothèse que les deux espèces avaient développé indépendamment des moyens de produire des alcaloïdes d'ipéca. Une question clé était de savoir si elles avaient trouvé les mêmes voies ou des voies différentes pour produire ces composés, à la fois chimiquement et enzymatiquement."
Dans un premier temps, l'équipe a constaté que les alcaloïdes de l'ipéca sont présents dans une certaine mesure dans tous les tissus végétaux des deux espèces, mais que des quantités beaucoup plus importantes sont présentes dans les tissus des jeunes feuilles et dans les organes souterrains de la plante. En comparant les tissus présentant des niveaux élevés et faibles d'alcaloïdes d'ipéca, les gènes qui pourraient être impliqués dans la biosynthèse ont été identifiés. D'autres tests et la transformation génétique d'une plante modèle ont permis de reconstruire progressivement la voie de biosynthèse chez les deux espèces. La voie a réservé quelques surprises : contrairement aux attentes, la première étape de la biosynthèse ne semble pas être contrôlée par une enzyme, mais se produit spontanément. Une autre surprise a été l'implication d'une enzyme inhabituelle. Sa structure tridimensionnelle était complètement différente de toutes les autres enzymes qui catalysent la même réaction, à savoir le clivage d'une molécule de sucre. "Cette classe d'enzymes n'est généralement pas impliquée dans la production de produits naturels. C'est probablement aussi la raison pour laquelle c'est la dernière enzyme que nous avons identifiée dans cette étude", rapporte Maite Colinas.
Il est intéressant de noter que l'enzyme de clivage des sucres a été détectée dans le noyau cellulaire, alors que le substrat est supposé se trouver dans la vacuole. Après le clivage du sucre, les substances sont hautement réactives et donc susceptibles d'être toxiques. En séparant dans l'espace le substrat et l'enzyme, la plante évite l'accumulation présumée de ces composés toxiques. Cependant, si un herbivore, tel qu'une chenille, mange la plante, les cellules sont détruites, l'enzyme et le substrat se rassemblent et les substances toxiques ne sont formées en tant que substances défensives qu'en cas de besoin. Des systèmes de défense similaires avec séparation spatiale de l'enzyme et du substrat ont déjà été décrits pour d'autres produits naturels, par exemple pour les glucosinolates, les saponines ou les alcaloïdes indoliques monoterpénoïdes. Les plantes utilisent à plusieurs reprises les mêmes mécanismes de défense et des composés chimiques complètement différents.
Une comparaison des enzymes impliquées dans la biosynthèse des deux espèces végétales suggère qu'elles ont développé la production du même groupe d'alcaloïdes indépendamment l'une de l'autre au cours de l'évolution. "Comme la biosynthèse des alcaloïdes de l'ipéca semble avoir évolué indépendamment, cette voie peut servir de modèle pour la recherche sur l'évolution des voies d'accès aux produits naturels. Les métabolites en aval, en particulier dans l'Alangium (par exemple la tubulosine), ont également des effets pharmacologiques intéressants, mais leurs effets spécifiques n'ont pas été bien étudiés en raison de leur faible abondance. Notre recherche pourrait donc aider à produire ces substances en plus grandes quantités à l'avenir, afin que leurs activités pharmacologiques puissent être étudiées plus en détail", explique Sarah O'Connor, chef du département de biosynthèse des produits naturels au MPI pour l'écologie chimique, l'importance de l'étude.
Les étapes finales de la biosynthèse doivent être élucidées dans le cadre de travaux ultérieurs, car jusqu'à présent, l'ensemble de la voie métabolique n'a été démontré que jusqu'à l'intermédiaire central, la protoémétine, mais les étapes menant aux produits finaux manquent encore.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Maite Colinas, Clara Morweiser, Olivia Dittberner, Bianca Chioca, Ryan Alam, Helena Leucke, Yoko Nakamura, Delia Ayled Serna Guerrero, Sarah Heinicke, Maritta Kunert, Jens Wurlitzer, Kerstin Ploss, Benke Hong, Veit Grabe, Adriana A. Lopes, Sarah E. O’Connor; "Ipecac alkaloid biosynthesis in two evolutionarily distant plants"; Nature Chemical Biology, 2025-6-3
Autres actualités du département science
