CE11 - Caractérisation des structures et relations structure-fonction des macromolécules biologiques

les protéines «Bacteriocyte-specific Cysteine-Rich», décryptage de leurs structures et activités: une potentielle nouvelle famille de biopesticide comme alternative aux traitements chimiques conventionnels – BIOFAMILY

Une nouvelle famille de biopesticides «durable«

Les pucerons sont les principaux ravageurs des cultures causant des dégâts sérieux à travers le monde. Jusqu'à présent, la plupart des stratégies de lutte contre ces parasites se fondent sur l'utilisation de pesticides chimiques. Leur usage intensif a des effets néfastes avérés sur les organismes non-cibles créant le besoin de développer de nouvelles technologies plus respectueuses de l'environnement.

«Bacteriocyte-specific Cysteine-Rich», décryptage de leurs structures et activités: une potentielle nouvelle famille de biopesticide comme alternative aux traitements chimiques conventionnels

Nous avons montré qu’une nouvelle classe de protéines riches en cystéines, appelée Bacteriocyte-specific Cystein Rich (BCR) présente une activité insecticide remarquable contre le puceron du pois. Le projet BIOFAMILY poursuit trois objectifs principaux afin d’identifier de nouveaux modes d'action insecticides avec de nouvelles cibles moléculaires et la conception de pesticides plus sélectifs et respectueux de l'environnement :(i) comprendre le contexte de l'évolution de ces toxines; (ii) étudier la ou les fonctions des BCR dans le contrôle de la symbiose iii) établir la structure tridimensionnelle des BCR afin de définir les déterminants structuraux responsables de leur activité insecticide pour obtenir un peptide très actif contre les insectes cibles, avec des effets non-intentionnels limités contre des insectes pollinisateurs comme l’abeille.

BIOFAMILY est un projet d'actualité, intégrant les avancées scientifiques les plus récentes dans le domaine des biopeptides. Il engage une approche multidisciplinaire qui comprend la bioinformatique, la physiologie des insectes, la biochimie, la chimie synthétique, la biologie moléculaire et la biologie structurale. Son originalité et sa nouveauté résident dans (i) la création d'un nouveau champ d'investigation : on sait peu de choses sur la diversité et les propriétés de ces petites molécules biologiques compte tenu des milliards de séquences de DRP déjà identifiées, et du nombre croissant de nouvelles séquences apparaissant dans la littérature récente ; (ii) développer de nouvelles méthodes : la proposition intégrera les innovations techniques récentes sur la manipulation des insectes nuisibles, notamment l'interférence ARN, les méthodes de cytométrie en flux adaptées à l'étude des endosymbiontes des insectes, l'immunohistochimie des montures entières et les approches de microscopie électronique à transmission adaptées aux bactériocytes de pucerons, et l'état de la l'art de la synthèse chimique de longs peptides riches en disulfures ; (iii) concevoir de nouveaux concepts : l'inquiétude du public sur l'utilisation des pesticides et des réglementations environnementales plus strictes créent le besoin de technologies innovantes respectueuses de l'environnement impliquant de nouvelles molécules de biopesticides.

Nous avons établi que la famille des peptides BCRs était propre aux espèces de pucerons rendant très enthousiasmant la recherche phylogénique de cette famille. Le peptide BCR4 présente une activité insecticide aigüe sur les pucerons, le rendant un candidat potentiel pour l’élaboration d’une nouvelle famille insecticide.

Dans le but de développer l'utilisation des peptides BCR comme bioinsecticides, le projet BIOFAMILY vise à décrypter les propriétés évolutives et fonctionnelles de cette nouvelle famille de peptides à différents niveaux d'intégration :
- Action des BCR comme agents entomocides et effets secondaires des BCR sur les abeilles.
- Effet des BCR sur la localisation des endosymbiotes et l'intégrité des bactériocytes (induction cellulaire et de mortalité)
- Capacité des BCR à interférer avec la survie et la croissance microbiennes
- Activité de liaison et identification des déterminants structuraux responsables de l'activité insecticide du BCR
- Relations Structure/Activité & Structure/évolution

Da Silva P, 2019. Use of peptides as insecticidal agents. PCT n° : PCT/FR2019/051679.

Les pertes agricoles mondiales dues aux insectes ravageurs s'élèvent à plusieurs dizaines de milliards. Les pucerons sont parmi les insectes destructeurs les plus redoutables en agriculture. Ils causent des pertes sévères en réduisant la croissance des plantes par détournement en leur propre faveur de nutriments et en provoquant des maladies dans presque toutes les cultures via la transmission de nombreux virus végétaux. Jusqu'à présent, la plupart des stratégies de lutte contre ces ravageurs reposent sur l'utilisation de pesticides chimiques systémiques. Ces produits chimiques ont été largement utilisés ces dernières décennies mais ils sont de plus en plus stigmatisés en raison de leur impact négatif sur la santé humaine, de leur persistance dans l'environnement et de leur toxicité pour les organismes non cibles. Ceci crée la nécessité de développer de nouveaux moyens de lutte plus respectueux de la santé humaine et de l’environnement. Dans cette perspective, une nouvelle famille de sept protéines riche en résidus cystéine appelée « Bacteriocyte-specific Cysteine Rich» (BCR) a été découverte chez le puceron du pois. Les BCR sont des peptides riches en ponts disulfure et sont codés par une nouvelle classe de gènes orphelins. Ils sont exprimés spécifiquement dans des cellules spécialisées du puceron nommées bactériocytes qui hébergent les bactéries symbiotiques. Leur expression est maintenue dans les bactériocytes pendant tout le développement du puceron, du stade larvaire à l’insecte adulte, suggérant l’implication des BCR dans la symbiose à travers le contrôle du développement des bactéries symbiotiques. De manière surprenante, au sein du laboratoire BF2i, des résultats ont clairement montré qu’un membre de la famille des BCR, BCR4 présente des propriétés insecticides remarquables contre ce même puceron du pois. Ce qui démontre que, en plus de leur rôle probable dans la symbiose, les peptides de cette famille pourraient être utilisés en tant que nouveaux biopesticides. La résolution de la structure tridimensionnelle (3D) de BCR4 et de BCR8 par RMN au laboratoire du CBM a permis de révéler une nouvelle famille structurale de peptides antimicrobiens. L’hypothèse d’une activité antimicrobienne de BCR4 et BCR8 a été confirmée avec la mise en évidence d’une activité bactéricide suggérant une implication probable des BCR dans la régulation de la symbiose.
Nous supposons que les BCR cibleraient les fonctions cellulaires de la bactérie B. aphidicola dans les bactériocytes. Ainsi, L'ingestion de BCR exogène déstabiliserait l'endosymbiose, en réduisant vraisemblablement la population d'endosymbiotes conduisant à la mort des pucerons. Ces résultats indiquent que ces peptides peuvent être utilisés comme biopesticides.
BIOFAMILY a pour but de fournir une caractérisation complète des peptides BCR au niveau de la compréhension de la symbiose chez l’insecte et son exploitation pour la protection des plantes. Plus précisément, BIOFAMILY vise trois objectifs principaux : (i) comprendre le contexte évolutif dans lequel ces toxines naturelles ont évolué dans la famille des Aphididés ; (ii) étudier la ou les fonctions des BCR dans le contrôle de la symbiose en analysant leur impact sur le contrôle des endosymbiotes, la différenciation des bactériocytes et l'homéostasie résultant de l'inhibition des BCR ; (iii) établir la structure 3D et l'activité biochimique des BCR afin de mieux comprendre leurs relations structure/activité et évolution/structure. Cela ouvrira la voie à l'identification de nouveaux modes d'action insecticides avec de nouvelles cibles et à la conception de bio-pesticides plus sélectifs et respectueux de l'environnement.
La force de ce projet est de rassembler des chercheurs avec des expertises complémentaires autour d’une problématique à forte valeur ajoutée: Structure et activité des BCR: une nouvelle famille potentielle de bio-pesticides alternatif aux traitements chimiques conventionnels.

Coordination du projet

Pedro DA SILVA (Biologie Fonctionnelle, Insectes et Interactions)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INSA LYON - BF2I Biologie Fonctionnelle, Insectes et Interactions
INRA PACA - A & E INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE AGRONOMIQUE - Centre PACA - Abeilles et Environnement
CBM Centre de biophysique moléculaire

Aide de l'ANR 470 974 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 48 Mois

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