Les 2,5-dicétopipérazines (2,5-DKP), produites par les champignons, les bactéries, les plantes et les animaux, possèdent des propriétés (antibactériennes, antivirales, anticancéreuses ou anti-inflammatoires) qui les rendent très attractives pour la pharmacopée. L'équipe de l'I2BC (SBIGeM) étudie depuis plusieurs années les voies bactériennes de biosynthèse de ces molécules et les exploite, en collaboration avec des équipes de Sorbonne Université, pour élaborer des procédés de biologie synthétique permettant de produire des 2,5-DKP dans la bactérie châssis Escherichia coli (voir le Fait Marquant de 2019).
Les 2,5-DKPs sont synthétisées en plusieurs étapes : les synthases de cyclodipeptides (CDPS) fabriquent, à partir des acides aminés chargés sur les ARN de transfert (ARNt), des cyclodipeptides, qui sont ensuite modifiés par d'autres enzymes pour former des 2,5-DKP aux propriétés biologiques remarquables. Dans la présente étude, l'équipe s'est intéressée aux oxydases de cyclodipeptides (CDO). Celles-ci interviennent précocement dans les voies de biosynthèse des 2,5-DKPs et participent à leur diversification chimique en produisant, via une réaction de déshydrogénation Ca-Cb, des 2,5-DKP déshydrogénées. L'objectif de cette étude ? Fournir une boîte à outils pour la bio-production efficace dans E coli de 2,5-DKP déshydrogénées.
Pour cela, dans un premier temps, les chercheurs ont analysé des génomes bactériens afin identifier, dans les voies de biosynthèse des 2,5-DKPs, des gènes codant pour des CDOs. Six de ces gènes correspondant à des CDO à l'activité inconnue ont été co-exprimés dans E coli avec ceux codant pour les CDPS associées. La structure chimique des cyclodipeptides déhydrogénés ainsi produits dans les surnageants de culture a été résolue pour caractériser l'activité enzymatique des CDO étudiées. Dans un second temps, afin d'optimiser la bio-production de ces 2,5-DKP déshydrogénées dans E coli, une ingénierie combinatoire a été réalisée : chacun des gènes codant pour les six CDO étudiées ainsi que pour deux CDO précédemment caractérisées a été co-exprimé avec un des dix-huit gènes codant pour une CDPS. Parmi les 144 combinaisons, les meilleures paires CDO/CDPS (permettant la production des plus hauts niveaux de nombreuses 2,5-DKP déshydrogénées) ont été identifiées.
Représentation schématique d'une bactérie Escherichia coli programmée pour la production de dicétopipérazines déshydrogénées. Les CDPS utilisent les acides aminés chargés sur les ARNt (aa-ARNt) pour produire des cyclodipeptides qui sont ensuite déshydrogénés par les CDO. Les 2,5-DKP déshydrogénées sont finalement récupérées dans le milieu de culture. R1 et R2 représentent des groupements chimiques caractéristiques des chaînes latérales des acides aminés.
Cette étude établit l'utilité des CDPS et CDO pour la bio-production de nombreuses 2,5-DKP déshydrogénées dans Escherichia coli. Elle constitue la première étape vers la bio-production de produits plus complexes.