Les indolethylamines psychédéliques à potentiel thérapeutique sont produites naturellement par des plantes, des champignons et des animaux. Cette étude élucide la voie de biosynthèse complète de la N,N-diméthyltryptamine (DMT) dans des espèces de plantes hallucinogènes traditionnellement utilisées dans des rituels chamaniques.
En s’appuyant sur les similitudes de leurs structures chimiques, les auteurs reconstruisent dans une seule plante les voies de biosynthèse complètes de cinq psychédéliques naturels renommés : la psilocine et la psilocybine des champignons, la DMT des plantes, ainsi que la bufoténine et la 5-méthoxy-DMT sécrétées par le crapaud du désert de Sonora.
L’étude conçoit également des analogues halogénés de ces molécules, qui n’existent pas naturellement dans les plantes mais présentent un potentiel thérapeutique pour les troubles psychiatriques. La combinaison de fonctions catalytiques issues de différents règnes du vivant, couplée à une ingénierie métabolique guidée par la conception rationnelle de protéines, permet une production in planta significativement plus efficace des composants indolethylaminiques.
Ce travail établit une plateforme polyvalente pour la biosynthèse simultanée et la diversification des indolethylamines psychoactives, ouvrant la voie à leur production dans les plantes.
L’étude vise principalement à élucider la voie de biosynthèse complète de la DMT dans les plantes productrices, telles que Psychotria viridis et Acacia acuminata.
Un objectif secondaire est de reconstruire les voies de biosynthèse complètes de cinq substances psychédéliques majeures (DMT, psilocybine, psilocine, bufoténine, et 5-MeO-DMT) issues de trois règnes différents (plantes, champignons, animaux) au sein d’un seul système végétal hétérologue, Nicotiana benthamiana.
Enfin, le projet cherche à démontrer la faisabilité de l’ingénierie de nouvelles molécules en produisant des analogues halogénés non naturels de ces composés, afin de créer une plateforme de production végétale polyvalente et durable pour ces substances et leurs dérivés.
- Criblage métabolique et génomique : Analyse de diverses espèces végétales (P. viridis, A. acuminata) par chromatographie liquide-spectrométrie de masse (LC-MS/MS) pour identifier les intermédiaires de la voie de la DMT. Le séquençage de l’ARN (RNA-Seq) et l’assemblage de novo du transcriptome sont utilisés pour identifier les gènes candidats codant pour les enzymes.
- Caractérisation enzymatique : Expression recombinante des enzymes candidates (TDC et NMT) dans E. coli et expression transitoire dans Nicotiana benthamiana pour valider leur activité catalytique in vitro et in planta.
- Ingénierie métabolique et reconstruction de voies : Co-expression transitoire (agro-infiltration) de multiples gènes provenant de plantes, champignons (Psilocybe cubensis), animaux (crapaud Rhinella marina) et bactéries dans des feuilles de N. benthamiana pour reconstruire de novo les voies de biosynthèse complètes.
- Optimisation de la production : Utilisation de la modélisation de protéines avec AlphaFold3 pour guider la conception rationnelle d’une enzyme (AtCOMT) afin d’améliorer son efficacité. Co-expression d’un gène bactérien (AroG) pour augmenter la disponibilité du précurseur (tryptophane).
- Production d’analogues : Intégration d’halogénases bactériennes dans le système végétal pour produire des dérivés chlorés et bromés de la DMT et de la psilocybine.
- Techniques d’analyse : Quantification des métabolites par LC-MS/MS et localisation spatiale des composés dans les tissus végétaux par imagerie par spectrométrie de masse MALDI (MALDI-MSI).
- Élucidation de la voie de la DMT : La voie de biosynthèse complète de la DMT chez les plantes P. viridis et A. acuminata est élucidée. Elle implique une tryptophan décarboxylase (TDC) et une N-méthyltransférase (NMT) qui catalyse deux étapes de méthylation successives.
- Reconstruction multi-règnes : Les voies de biosynthèse de cinq substances psychédéliques (DMT, psilocine, psilocybine, bufoténine, 5-MeO-DMT) sont entièrement reconstruites de novo dans la plante N. benthamiana en utilisant des enzymes provenant de plantes, champignons et animaux.
- Polyvalence des enzymes : Les enzymes NMT végétales identifiées (PvNMT1 et AaNMT1) démontrent une large promiscuité de substrat, leur permettant de catalyser la formation de diverses tryptamines substituées.
- Optimisation par conception rationnelle : Une seule mutation (A160G) dans l’enzyme AtCOMT, guidée par la modélisation AlphaFold3, augmente la production de 5-MeO-DMT de 40 fois dans la plante.
- Production simultanée : La production simultanée des cinq psychédéliques dans une seule plante est réussie, bien que les rendements soient réduits en raison de la compétition pour les substrats communs, mettant en évidence les défis de la régulation des flux métaboliques.
- Création d’analogues : Des dérivés halogénés (chlorés et bromés) de la DMT et de la psilocybine sont produits de novo pour la première fois dans une plante par co-expression d’halogénases bactériennes.
L’étude établit une plateforme végétale modulaire et polyvalente pour la production de substances psychédéliques, offrant une alternative durable et éthique à la récolte d’espèces naturelles vulnérables comme le crapaud du désert de Sonora ou certaines plantes rares.
Cette approche d’ingénierie métabolique ouvre la voie à la création d’une grande diversité de composés, y compris des analogues non naturels comme les dérivés halogénés, qui pourraient posséder des propriétés pharmacologiques distinctes et un potentiel thérapeutique amélioré.
Le succès de l’optimisation enzymatique grâce à des outils informatiques avancés comme AlphaFold3 démontre le potentiel de ces technologies pour accélérer la bio-ingénierie et la découverte de nouvelles voies de synthèse. Ce travail constitue une preuve de concept pour la production multiplexée de métabolites complexes issus de différents règnes du vivant au sein d’un seul hôte végétal, avec des applications potentielles s’étendant à la production de médicaments et de produits de chimie fine.
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