Les levures ont été génétiquement modifiées pour produire des précurseurs d’un médicament de chimiothérapie qui est généralement dérivé de plantes. L’équipe a ensuite couplé les précurseurs à l’aide de méthodes de semi-synthèse établies pour fabriquer de la vinblastine. Les travaux montrent comment de telles usines de cellules microbiennes pourraient stimuler l’approvisionnement en vinblastine et en milliers d’autres produits naturels, ainsi que produire une gamme potentiellement infinie d’analogues pharmaceutiquement prometteurs qui n’existent pas dans la nature.

La vinblastine a été isolée pour la première fois en 1958 à partir de la pervenche de Madagascar, Catharanthus roseus. L’alcaloïde indole monoterpène (MIA) est largement utilisé comme traitement pour plusieurs types de cancer en bloquant les cellules à croissance rapide. Il figure sur la liste des médicaments essentiels de l’Organisation mondiale de la santé et, en 2020, la Food and Drug Administration des États-Unis l’a répertorié comme un médicament en pénurie.

La vinblastine est généralement fabriquée en extrayant et en purifiant deux précurseurs, la catharanthine et la vindoline, de la pervenche, car la vinblastine elle-même n’est produite qu’en petites quantités dans la plante en réponse au stress. Une hémisynthèse est donc nécessaire pour coupler chimiquement ces précurseurs pour former la vinblastine. Cependant, l’ensemble du processus est coûteux – les approvisionnements dépendent des cultures de pervenche avec 500 kg de pervenche séchée nécessaires pour produire seulement 1 g de vinblastine.

Bien que des méthodes de chimie synthétique en plusieurs étapes aient été explorées, la stéréochimie complexe des MIA signifie que de telles approches ne produiront probablement jamais des quantités à l’échelle industrielle. Cependant, en 2019, la voie biochimique qui rend la vinblastine dans Catharanthus roseus a été démêlé – l’un des plus longs parcours MIA à 31 étapes. Cela a ouvert la possibilité, bien que difficile avec tant d’étapes, d’utiliser la biologie synthétique pour fabriquer le composé.

Étapes vers le succès

C’est exactement ce qu’une équipe internationale a fait en modifiant la machinerie génétique de la levure de boulanger pour imiter la voie biochimique de la vinblastine. Bien que les 31 étapes de la voie n’aient pas été franchies, les chercheurs n’avaient qu’une étape à franchir, incitant la levure à produire les deux précurseurs, la catharanthine et la vindoline. Ceux-ci ont ensuite été couplés photochimiquement in vitro faire de la vinblastine.

Atteindre cet objectif était «très émouvant», déclare Michael Jensen de l’Université technique du Danemark, dont le laboratoire a dirigé les travaux avec le groupe de Jay Keasling à l’Université de Californie à Berkeley, aux États-Unis. « Lorsque nous avons observé que nous pouvions fabriquer les deux intermédiaires dans une seule cellule, nous savions qu’en théorie nous devrions avoir suffisamment de produits pour effectuer le couplage. »

Pour créer « l’usine de cellules microbiennes », l’équipe a effectué un total de 56 modifications génétiques dans le génome de la levure de boulanger, y compris l’expression de 34 gènes provenant de plantes, ainsi que des délétions, des suppressions et une surexpression de 10 gènes de levure. .

Dans C. roseus, les enzymes nécessaires sont réparties dans au moins cinq compartiments cellulaires différents, ce qui nécessite une navette complexe de composés entre différents tissus et types de cellules. Afin d’atteindre cet objectif dans la levure, l’équipe a compartimenté la voie en 30 étapes en trois modules distincts, chacun produisant un intermédiaire spécifique le long de la voie. L’équipe a ensuite optimisé chaque module dans des souches de levure distinctes, les combinant finalement toutes en une seule souche.

La levure modifiée a été nourrie avec du glucose, l’acide aminé tryptophane et du galactose. Après 11 jours de fermentation, la levure a donné 91,4 μg/litre de catharanthine et 13,2 μg/litre de vindoline.

Enzyme manquante

Jensen explique que l’étape finale vers la vinblastine n’a pas pu être franchie car l’enzyme peroxydase supposée être responsable n’a pas pu être identifiée, malgré le dépistage de plusieurs candidats. «La peroxydase manquante a été une déception, mais il y a tellement de controverse quant à savoir si cette étape est catalysée par voie enzymatique», déclare Jensen. «L’adoption du couplage chimique n’a finalement pas été une déception. Après tout, la semi-synthèse est la norme de l’industrie.

«Cette étude démontre magnifiquement la puissance de l’ingénierie métabolique pour fournir des solutions évolutives permettant d’accéder à des composés de grande valeur qui sont des cibles insolubles pour la synthèse», commente Paul Race, qui étudie la synthèse de produits naturels à l’université de Bristol, au Royaume-Uni.

«La fabrication basée sur la fermentation a le potentiel de réduire les cultures de ressources naturelles et rares, de limiter les flux de déchets et de démocratiser et régionaliser la fabrication de médicaments essentiels», déclare Jensen. Cependant, il souligne que ce n’est que le début, car la souche actuelle ne produit pas encore des quantités pertinentes pour une mise à l’échelle commerciale.

«Ce qui est particulièrement excitant, c’est la possibilité d’utiliser la plate-forme microbienne pour accéder à plus de 3 000 alcaloïdes indoliques monoterpéniques supplémentaires chimiquement apparentés, dont beaucoup sont des cibles de grande valeur à part entière», déclare Race. « Malgré le fait que les pipelines en oncologie regorgent de nouvelles pistes potentielles, il est clair que les molécules dérivées de sources naturelles conservent un avantage compétitif thérapeutique qui justifie le degré d’effort et d’investissement utilisé dans cette étude pour sécuriser leur approvisionnement. »