Caractérisation de nouveaux métabolites secondaires contenant un acide aminé beta chez les bactéries – BetaAAmetabolites

Les méthodes et approches utilisées sont basées sur celles déjà utilisées avec succès par les partenaires du projet dans un précédent projet financé par l'ANR et la DFG pour l'isolement et la caractérisation structurale et de la voie de biosynthèse de l'albicidine, un antibiotique et une phytotoxine produite par la bactérie responsable de la maladie de l'échaudure des feuilles de la canne à sucre.

Les groupements de gènes de biosynthèse des deux métabolites secondaires étudiés dans le cadre du projet actuel sont connus. Des techniques de surexpression de ces gènes, aboutissant à la surproduction des métabolites secondaires d'intérêt, sont mises en œuvre par le partenaire français. L'isolement par chromatographie des molécules recherchées est réalisé conjointement par les partenaires français et allemand. La caractérisation structurale des métabolites secondaires est réalisés par le partenaire allemand grâce à la mise en œuvre de diverses techniques de spectrométrie de masse et de résonance magnétique nucléaire. Par la suite, les voies de biosynthèse respectives de ces métabolites secondaires sont affinées au regard de la structures des molécules. Enfin, de nouveaux groupements de gènes de biosynthèse permettant l'incorporation d'acides aminés ß dans des métabolites secondaires seront recherchés par genome mining parmi les génomes bactériens disponibles sur GenBank.

L'étude de deux métabolites secondaires bactériens a constitué les deux volets d'étude de ce projet.

Le premier métabolite secondaire bactérien est un lipopeptide produit par un complexe d'espèces bactériennes phytopathogènes et pathogènes opportunistes d'animaux et de l'Homme. Ce lipopeptide a été montré comme impliqué dans la virulence de la bactérie chez des patients souffrant de mucoviscidose mais également comme ayant des propriétés antifongiques contre des champignons phytopathogènes. Si un protocole d'isolement était connu pour ce lipopeptide au début de ce projet, les différents partenaires du projet en ont élucidé la structure, confirmant au passage l'hypothèse principale du projet de la présence de beta-acides aminés dans les structures des métabolites étudiés, mais également sa voie de biosynthèse impliquant des enzymes de la voie de biosynthèse peptidique non ribosomique. L'activité antifongique de ce lipopeptide a également été confirmée contre quatre champignons phytopathogènes responsables de maladies chez le café, le blé et le riz.

Le second métabolite secondaire bactérien étudié dans ce projet est la molécule signal d'un système de quorum sensing original impliqué dans la virulence de souches appartenant aux différentes espèces d'un genre bactérien phytopathogène. L'isolement de cette molécule signal a été rendu difficile par les très faibles concentrations produites naturellement ainsi que par une forte instabilité de la molécule. De nombreuses analyses des génomes disponibles de ce genre bactérien, et plus particulièrement des gènes impliqués dans la biosynthèse de cette molécule signal, ont permis de mettre en évidence l'existence de plusieurs groupes de spécificité au sein du genre bactérien étudié. Ces groupes de spécificité mettent ainsi en œuvre des analogues structuraux de la molécule signal de quorum sensing. Ainsi, si le quorum sensing est considéré comme un langage spécifique au sein de certaines espèces bactériennes, les groupes de spécificité mis en évidence dans ce projet correspondent ainsi à des dialectes compris par certaines souches seulement au sein du genre bactérien. Des expérimentations ont également été réalisées pour déterminer la stabilité des différents analogues structuraux de la molécule signal de quorum sensing. Une partie seulement de la structure de ces analogues structuraux a pu être déterminée.

Des expériences ont également été menées pour tenter de mettre en évidence une voie de biosynthèse partiellement partagée entre différents métabolites secondaires dont les groupements de gènes de biosynthèse sont proches les uns des autres sur les génomes bactériens, mais sans succès.

Ce projet vise à élucider la structure chimique de métabolites secondaires bactériens codés par deux groupements de gènes de biosynthèse, à déchiffrer leurs voies de biosynthèse et à affiner la fonction de leurs gènes de biosynthèse. Ce projet contribue à une meilleure compréhension de l'incorporation des acides aminés ß par les domaines A autonomes chez les bactéries.

Puisque les micro-organismes ciblés sont des bactéries pathogènes importantes, ce projet contribuera essentiellement à une meilleure compréhension de leur pathogénie. Par conséquent, la lutte contre ces bactéries pathogènes devrait être facilitée par les nouvelles données issues du projet. La caractérisation de la structure d'un lipopeptide impliqué dans la virulence d'une bactérie pathogène opportuniste humaine permettra de développer des méthodes de lutte contre ces bactéries.

Puisque l'exploration du génome est une approche importante pour découvrir de nouveaux loci codant pour des produits naturels ayant des activités biologiques potentiellement nouvelles, l'exploration de séquences génomiques bactériennes disponibles dans Genbank pour la présence de nouveaux loci codant un domaine A autonome spécifique d'un acide aminé ß s'avèrera utile pour mettre en évidence d'autres métabolites secondaires bactériens d'intérêt.

Pas de production scientifique à ce stade.

Au cours des dernières années, un nombre considérable de métabolites secondaires contenant des acides aminés non protéinogènes a été décrit chez les bactéries. Les études portant sur leurs clusters de gènes de biosynthèse sont également nombreuses. Une nouvelle famille de domaines d'adénylation (A) autonomes impliqués dans l'incorporation d'acides aminés ß a ainsi été décrite. Sur la base des analyses structurales protéiques de trois membres de cette nouvelle famille, de nouveaux codes conférant une spécificité pour des acides aminés ß ont été proposés. Une caractéristique commune de ces domaines A autonomes est qu'ils sont codés conjointement avec un domaine « acyl carrier protein » autonome.
Sur la base de ces caractéristiques spécifiques, le partenaire français (BGPI) a identifié deux nouveaux domaines A autonomes dont on pense qu’ils sont impliqués dans l'incorporation d'un acide aminé ß. Ces domaines A autonomes sont présents dans deux loci appartenant à des bactéries pathogènes importantes. Selon leur annotation, ces loci codent respectivement deux nouvelles molécules inconnues. Il est intéressant de noter que, par une approche génétique, il a été démontré que ces deux loci sont nécessaires à la virulence bactérienne. Cependant, la structure chimique des métabolites secondaires synthétisés par ces loci reste inconnue et la présence d'un acide aminé ß n'a jamais été suspectée ni explorée.
Ce projet vise à élucider la structure chimique des molécules codées par ces deux loci, à déchiffrer leurs voies de biosynthèse et à affiner la fonction de leurs gènes de biosynthèse. Ce projet contribuera à une meilleure compréhension de l'incorporation des acides aminés ß par les domaines A autonomes chez les bactéries. Puisque les microorganismes ciblés sont des bactéries pathogènes importantes, ce projet contribuera essentiellement à une meilleure compréhension de leur pathogénie. Par conséquent, la lutte contre ces bactéries pathogènes devrait être facilitée par les nouvelles données issues du projet.
Puisque l'exploration du génome est une approche importante pour découvrir de nouveaux loci codant pour de nouveaux produits naturels ayant des activités biologiques potentiellement nouvelles, ce projet propose d'explorer les séquences génomiques bactériennes disponibles dans Genbank pour la présence de nouveaux loci codant un domaine A autonome spécifique d'un acide aminé ß.
En fonction de l'activité biologique des métabolites secondaires caractérisés contenant un acide aminé ß, ce projet pourrait potentiellement mener à des applications industrielles comme antibiotiques ou agents phytosanitaires. Les brevets obtenus pourraient également contribuer à la visibilité du projet. Les partenaires français (BGPI) et allemand (TU Berlin) ont développé une collaboration de longue date depuis 2005, travaillant ensemble sur plusieurs projets dont la caractérisation structurale du puissant antibiotique albicidine.