Bioprospection, découverte, mode d’action et biosynthèse de biotoxines marines – ICH-NEURO-MET

ICH-NEURO-MET veut associer la découverte et l’élucidation structurale de nouveaux composés de dinoflagellés à la compréhension de leur mode d’action et de leur voie de biosynthèse. Pour ce faire nous proposons une approche originale qui consiste à construire des réseaux moléculaires à partir des données de la spectrométrie de masse à haute résolution dans les étapes précoces de purification de ces composés. Ceci devrait permettre de découvrir des toxines congénères produites en très faible quantité par le dinoflagellé en question. La RMN couplée aux algorithmes d’apprentissage profond (deep learning ) devrait aussi contribuer à la découverte de métabolites bioactifs.
Les méthodes utilisées pour la purification bio-guidée des nouveaux composés sont : i) un test de liaison à haut débit développé dans notre laboratoire pour identifier les ligands du récepteur nicotinique de l’acétylcholine, ii) un test développé dans notre laboratoire pour le criblage des inhibiteurs de l’acétylcholinestérase et iii) un test cytotoxique sur branchies de poisson « cytotoxic gill-based » pour le criblage de composés toxiques pour les poissons responsables de la mort massive de poissons. Le mode d’action des composés hit purifies sera caractérisé à l’aide des techniques électrophysiologiques, enzymologiques, et toxicologiques. La détermination des structures, au cœur de ce projet, sera effectuée par RMN et HRMS. Afin de comprendre les voies de biosynthèse de ces nouveaux métabolites secondaires, nous utiliserons le marquage métabolique à l’aide des précurseurs marqués par divers isotopes. Nous utiliserons ensuite la génomique et la transcriptomique pour annoter les clusters putatifs de gène impliqués dans la biosynthèse de ces toxines.

en cours

A terme les résultats obtenus dans ce programme de recherche basique auront un impact sur le traitement des désordres neurodégénératifs et des cancers, mais aussi sur la sécurité alimentaire des fruits de mer. Parallèlement à la caractérisation de nouvelles molécules possédant des activités intéressantes nous pouvons anticiper un essor dans la connaissance de la diversité des toxines, dans la biosynthèse des toxines de dinoflagellé, et dans la compréhension du rôle physiologique que ces toxines jouent chez les dinoflagellés producteurs.

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ICH-NEURO-MET est un projet Franco-Autrichien de recherche collaborative visant à découvrir des nouvelles neurotoxines et ichtyotoxines portant des motifs originaux, à déterminer leur structure et leur mode d’action, ainsi qu’à dévoiler leur biosynthèse. À long-terme, les résultats obtenus dans le cadre de ce projet pourraient avoir un impact sur le traitement de maladies neurodégénératives et du cancer, ainsi que sur la sécurité à la consommation de produits de la mer.
Le cycle de vie du phytoplancton se caractérise par la formation épisodique d’efflorescences algales à forte densité cellulaire couvrant d’énormes surfaces marines. Lorsque ces efflorescences sont dominées par des souches toxiques, elles constituent un risque pour la santé publique et pour l’aquaculture, et conduisent à des très importantes pertes économiques. Néanmoins, les toxines peuvent être utilisées pour mieux connaître le fonctionnement de leurs cibles moléculaires et pour concevoir de nouveaux médicaments. Le phytoplancton, tels que les dinoflagellés, sont des sources intéressantes de nouvelles molécules bio actives grâce à l’émergence et évolution continuelle de voies biosynthétiques de métabolites secondaires et aux transformations métaboliques de ces toxines chez les organismes hôtes. D’autre part, dû à l’augmentation de l’espérance de vie, les maladies neurodégénératives deviendront un problème de santé prioritaire dans les décennies à venir. La découverte de nouvelles neurotoxines cholinergiques et la caractérisation de leur mode d’action sont très intéressantes pour la conception de nouvelles drogues pour traiter les maladies neurodégénératives et l’addiction. Aussi, des ichtyotoxines à l’origine de la mort en masse de poissons dans le monde entier pourraient être des agents antitumoraux intéressants.
ICH-NEURO-MET associe des équipes spécialisées dans la chimie de produits naturels marins, la métabolomique, la chimie structurale, la toxicologie et la pharmacologie pour découvrir des neurotoxines et des ichtyotoxines originales à partir de dinoflagellés. Le projet cherche non seulement à découvrir de nouvelles molécules bio actives, mais aussi à dévoiler leur structure, leur mode d’action et leurs voies de biosynthèse. Nous proposons une nouvelle approche visant à établir des réseaux moléculaires par spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) dans les étapes précoces de purification bio-guidée des molécules d’intérêt. Cette approche accélérera la découverte de congénères minoritaires de toxines produites par les dinoflagellés étudiés. Leur mode d’action sera analysé par des techniques d’électrophysiologie, d’enzymologie et de toxicologie. L’analyse de spectres de RMN avec des algorithmes de réseaux neuronaux existants contribuera aussi à la découverte de familles de toxines. La structure des nouvelles toxines, qui est au cœur de ce projet, sera élucidée par RMN et par HRMS. Afin de découvrir leurs voies de biosynthèse, nous utiliserons d’une part des précurseurs marqués au 13C et au 15N étudiés par HRMS et par RMN et d’autre part, la transcriptomique dans des conditions de stress variées. Les gènes de biosynthèse hypothétiques seront annotés à l’aide d’outils bio-informatiques permettant de prédire des activités enzymatiques à partir de données de transcriptomique. La transcriptomique fonctionnelle permettra de mieux comprendre comment les facteurs environnementaux adverses, le stress ou la présence de prédateurs induisent ou inhibent la synthèse de toxines, afin d’appréhender le rôle des toxines chez les dinoflagellés.
En plus de nouvelles molécules avec des activités intéressantes, bien caractérisées du point de vue de leur structure et de leur mode d’action, nous anticipons une forte amélioration dans la connaissance des voies biosynthétiques des toxines et de la chimio diversité toxinique chez les dinoflagellés. La complémentarité et l’expertise des partenaires sont bien adaptées pour atteindre les objectives du projet ICH-NEURO-MET.