Opioids produced by yeasts

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Voici un nouveau succès pour la branche du génie métabolique, qui vise à reconstruire dans des microorganismes les voies de synthèses de molécules complexes ayant un intérêt industriel ou pharmaceutique. Les chercheurs du groupe de Christina Smolke à l’Université Stanford aux Etats-Unis ont réussi à intégrer et faire fonctionner dans la levure du boulanger S. cerevisiae plus d’une vingtaine d’enzymes effectuant à partir de glucose la synthèse deux molécules de la famille des opioïdes: thébaine et hydrocodone [1]. Ce travail, point culminant de dix années d’efforts, est à ce jour la voie de synthèse la plus complexe jamais réalisée en microorganisme (cf. Figure). Le défi se situe à présent au niveau du passage à l’échelle industrielle qui devra se baser sur une importante amélioration du rendement.

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Figure : Représentation imagée d’une nouvelle usine pour la production d’opiacés dans la levure du boulanger S. cerevisiae basé sur l’intégration d’une vingtaine d’enzymes provenant du pavot, de la levure, de la souris pour reconstituer les voies de synthèse de la thébaine et de l’hydrocodone. Extrait avec la permission de Science 349, 677 (2015). Copyright 2015 AAAS.

De nombreux médicaments nous viennent des plantes : l’aspirine du saule, les taxols et vincristine (anticancéreux) des ifs et de la pervenche de Madagascar respectivement, l’artéminisine (antimalarique) de l’Artemisia annua, et les opioïdes (morphine, codéine, et autres antidouleurs) du pavot (Papaver somniferum). La production de ces médicaments à partir de ces plantes peut cependant être problématique, pour des raisons de coûts élevés, de variations de rendement des récoltes dues au climat, ou des fluctuations géopolitiques. La synthèse chimique de ces molécules, bien que parfois réalisable, n’est pas toujours compétitive commercialement. C’est dans ce contexte que le génie métabolique propose de reconstruire dans des microorganismes (bactéries ou levures généralement) les voies de synthèse multi-enzymatiques de ces molécules complexes. La production peut ensuite passer à plus grande échelle en fermenteurs, permettant généralement une production plus importante, plus rapide et ultimement moins onéreuse.

 

Le précédent exploit dans le domaine était la synthèse en levure de l’acide artémisinique, un précurseur facilement convertible de l’antimalarique artemisine [2]. Le laboratoire de Jay Keasling de l’Université de Californie - Berkeley aux Etats-Unis avait pour cela intégré dans la levure dix enzymes de la plante Artemisia annua. L’équipe de Christina Smolke a l’Université Stanford a de son côté (Figure 6) intégré une vingtaine d’enzymes provenant du pavot, de la levure, de la souris pour reconstituer les voies de synthèse de la thébaine (21 enzymes), un précurseur dans la synthèse de nombreux opioïdes, et l’hydrocodone (23 enzymes), le principe actif de l’analgésique Vicodin. Un des obstacles majeurs levé par les auteurs a été l’identification d’une enzyme clef de la voie de synthèse chez le pavot, une épimérase convertissant la (S)-réticuline en (R)-réticuline. A cette fin, les auteurs ont utilisé des bases de données transcriptomiques d’études d’inhibition de gènes dans le pavot pour identifier une enzyme dont la dérégulation entrainait une augmentation de (S)-réticuline, puis ont testé plusieurs homologues pour obtenir une enzyme fonctionnelle conduisant à la production de la (R)-réticuline. Un autre défi était l’adressage erroné de certaines enzymes au lumen du réticulum endoplasmique, qui a nécessité le recours à l’ingénierie de protéines chimères pour exposer la protéine du côté cytosolique. Un autre point intéressant est l’ajout dans la levure d’une voie de synthèse, non présente naturellement dans le pavot, permettant ainsi la production directe par le microorganisme d’hydrocodone à partir de thébaïne.

 

Malgré ce véritable tour de force, un bémol subsiste: les rendements sont d’environ 7 μg/L de thébaine, et de 0,3 μg/L d’hydrocodone, bien loin des 5 g/L requis pour une production commerciale viable. Il est néanmoins permis d’espérer des progrès qui pourraient amener à une commercialisation. On citera notamment comme succès l’acide artémisinique de Keasling dont les rendements de synthèse ont été améliorés de 1,6 à 25 g/L [3], permettant ainsi une production commerciale par Sanofi-Aventis qui fournit à ce jour un tiers de la demande mondiale d’artémisine. Enfin, si les rendements augmentent, une autre question se posera : la dispersion potentielle de ces souches de microorganismes et le dévoiement de leur utilisation pour approvisionner les marchés illégaux de stupéfiants. Ce remarquable exemple illustre qu’il convient dès à présent d’anticiper ces progrès scientifiques et d’établir de nouvelles règles de gouvernance pour la branche du génie métabolique.