Natalia Dudareva, professeur émérite de biochimie au Collège d’agriculture de Purdue, se tient dans son laboratoire. Dudareva a dirigé une équipe de chercheurs qui a cartographié la voie de biosynthèse d’un composé anticancéreux présent dans l’origan et le thym, ouvrant la porte à une utilisation pharmaceutique potentielle. Crédit : Purdue Agricultural Communications photo/Tom Campbell
Le thym et l’origan possèdent un composé anticancéreux qui supprime le développement des tumeurs, mais en ajouter plus à votre sauce tomate ne suffit pas pour obtenir un avantage significatif. La clé pour libérer le pouvoir de ces plantes consiste à amplifier la quantité de composé créé ou à synthétiser le composé pour le développement de médicaments.
Les chercheurs de l’Université Purdue ont franchi la première étape vers l’utilisation du composé dans les produits pharmaceutiques en cartographiant sa voie de biosynthèse, une sorte de recette moléculaire des ingrédients et des étapes nécessaires.
“Ces plantes contiennent des composés importants, mais la quantité est très faible et l’extraction ne sera pas suffisante”, a déclaré Natalia Dudareva, professeur émérite de biochimie au Collège d’agriculture de Purdue., qui a co-dirigé le projet. « En comprenant comment ces composés sont formés, nous ouvrons la voie à l’ingénierie des plantes avec des niveaux plus élevés d’entre eux ou à la synthèse des composés dans des micro-organismes à usage médical.
« C’est une période incroyable pour la science des plantes en ce moment. Nous avons des outils qui sont plus rapides, moins chers et offrent beaucoup plus de perspicacité. C’est comme regarder à l’intérieur de la cellule ; c’est presque incroyable.
Pan Liao, chercheur postdoctoral à Purdue, travaille dans le laboratoire Dudareva. Liao a été le premier auteur d’un article décrivant la biosynthèse du thymol, du carvacrol et de la thymohydroquinone ; composés moléculaires aux propriétés médicinales que l’on trouve dans certaines herbes. Crédit : Purdue University photo/Tom Campbell
Le thymol, le carvacrol et la thymohydroquinone sont des composés aromatiques du thym, de l’origan et d’autres plantes de la famille des Lamiacées. Ils ont également des propriétés antibactériennes, anti-inflammatoires, antioxydantes et autres bénéfiques pour la santé humaine. La thymohydroquinone s’est avérée avoir des propriétés anticancéreuses et est particulièrement intéressante, a déclaré Dudareva, qui est également directeur du Centre de biologie végétale de Purdue.
En collaboration avec des scientifiques de l’Université Martin Luther de Halle-Wittenberg en Allemagne et de l’Université d’État du Michigan, l’équipe a découvert l’ensemble de la voie biosynthétique de la thymohydroquinone, y compris la formation de ses précurseurs thymol et carvacrol, et les composés intermédiaires de courte durée en cours de route.
Les résultats modifient les vues antérieures sur la formation de cette classe de composés, appelés monoterpènes phénoliques ou aromatiques, pour lesquels seules quelques voies de biosynthèse ont été découvertes dans d’autres plantes, a-t-elle déclaré. Le travail est détaillé dans un article publié dans les Actes de la National Academy of Sciences.
“Ces résultats fournissent de nouvelles cibles pour l’ingénierie de composés à haute valeur ajoutée dans les plantes et autres organismes”, a déclaré Pan Liao, co-premier auteur de l’article et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Dudareva. “Non seulement de nombreuses plantes contiennent des propriétés médicinales, mais les composés qu’elles contiennent sont utilisés comme additifs alimentaires et pour les parfums, les cosmétiques et d’autres produits.”
Maintenant que cette voie est connue, les phytologues pourraient développer des cultivars qui produisent beaucoup plus de composés bénéfiques ou pourraient être incorporés dans des micro-organismes, comme la levure, pour la production. Cette dernière méthode implique un processus de fermentation pour obtenir les composés précieux, comme c’est le cas pour de nombreux produits à base de plantes, a-t-il déclaré.
Le processus de fermentation est si important pour la production d’aliments et de boissons, de produits pharmaceutiques et de biocarburants que Purdue propose désormais une majeure en sciences de la fermentation.
Une subvention de 5 millions de dollars de la National Science Foundation a soutenu la recherche. Utilisant ARN le séquençage et l’analyse de corrélation, l’équipe a criblé plus de 80 000 gènes à partir d’échantillons de tissus végétaux et a identifié les gènes nécessaires à la production de thymohydroquinone. Sur la base de ce qui était connu sur la structure du composé et grâce au profilage des métabolites et aux tests biochimiques, l’équipe a identifié la voie de biosynthèse.
“L’intermédiaire formé dans la voie n’était pas ce qui avait été prédit”, a déclaré Liao. « Nous avons découvert que le squelette aromatique du thymol et du carvacrol est formé à partir de ?-terpinène par une monooxygénase P450 en combinaison avec une déshydrogénase via deux intermédiaires instables, mais pas p-cymène, comme cela a été proposé.
D’autres voies sont actuellement découvertes en raison de la possibilité d’utiliser le séquençage de l’ARN pour effectuer une analyse de l’expression génique à haut débit, a déclaré Dudareva.
Les résultats de cette recherche seront également utiles pour la recherche en biochimie et en sciences végétales sur d’autres espèces de plantes, a-t-elle déclaré.
“Nous, en tant que scientifiques, comparons toujours les voies dans différents systèmes et plantes”, a déclaré Dudareva. « Nous sommes toujours à la recherche de nouvelles possibilités. Plus nous en apprenons, plus nous sommes capables de reconnaître les similitudes et les différences qui pourraient être la clé de la prochaine percée. »
Référence : « La biosynthèse du thymol, du carvacrol et de la thymohydroquinone chez les Lamiaceae procède via le cytochrome P450s et une déshydrogénase à chaîne courte » par Sandra T. Krause, Pan Liao, Christoph Crocoll, Benoît Boachon, Christiane Förster, Franziska Leidecker, Natalie Wiese, Dongyan Zhao, Joshua C. Wood, C. Robin Buell, Jonathan Gershenzon, Natalia Dudareva et Jörg Degenhardt, 20 décembre 2021, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2110092118
Le programme de recherche sur le génome végétal de la National Science Foundation (IOS 1444499) et l’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture du département américain de l’Agriculture (projet Hatch n°177845) ont financé cette recherche.
