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La levure du boulanger : une usine vivante pour étudier et produire des médicaments ? Gilles Truan

Jeudi 6 décembre 2008, Centre de Génétique Moléculaire (CNRS, Gif)

vendredi 16 janvier 2009, par Séverine

Jeudi 4 décembre 2008, le premier jeudi de la recherche de la saison 2008-2009 s’est déroulé sur le campus du CNRS de Gif sur Yvette au Centre de Génétique Moléculaire. Gilles Truan, chercheur au CNRS, a accueilli les participants pour leur conter la vie passionnante des levures dans les laboratoires de génétique… ou comment un être si petit rend de si grands services à la biologie en général et à la médecine en particulier.

Cellules de levure (Saccharomyces cerevisiae)
© J.-M. Salmon INRA

La levure de boulanger, tout le monde sait ce que c’est ! De son vrai nom « Saccharomyces cerevisiae », c’est elle qui, dans la tiédeur du fournil ou du dessus du radiateur, bien nourrie avec du bon sucre, fabrique le dioxyde de carbone qui fait gonfler le pain et les brioches. Miam ! C’est elle aussi qui dans d’autres circonstances permet la fermentation alcoolique (d’où son nom, cerevisiae, cervoise… la bière !). Aux yeux du biologiste, la levure a d’autres qualités, tout aussi précieuses, et l’on trouve des cousines de la levure de boulangerie dans beaucoup de laboratoires de génétique. La levure est un micro-organisme facile à manipuler (un peu d’eau et de sucre et les cultures de levure se développent sans problème). Elle n’est pas pathogène pour l’homme (contrairement à certaines bactéries). Son génome (un peu moins de 6300 gènes) est très bien connu. Elle a un avantage sur la bactérie, autre fidèle compagne des biologistes, c’est une cellule « eucaryote », doux nom donné aux êtres unicellulaires — comme notre chère levure — ou pluricellulaires — comme vous et moi — dont la(les) cellule(s) possède(nt) un noyau qui contient leur matériel génétique. En ce sens, nous ressemblons davantage à une levure qu’à une bactérie et la levure est un meilleur modèle cellulaire pour l’étude du fonctionnement des médicaments.

Que deviennent les médicaments une fois qu’ils ont agi dans notre organisme ?

Question très importante ! Quand on ingère un médicament, notre premier souci est qu’il soit efficace, mais il est indispensable qu’il puisse ensuite être éliminé sans problème. C’est un des rôles du foie, au sein duquel des réactions chimiques détruisent le médicament qui sera ensuite éliminé dans les urines. Comme la plupart du temps chez les êtres vivants, ces réactions sont pilotées par une enzyme (une protéine) qui permet de faire de la chimie dans des conditions douces (les conditions de température, d’acidité, de concentration des réactifs… sont beaucoup plus extrêmes dans un réacteur chimique de l’industrie ! ).

protéine-enzyme cytochrome P450
Représentation en image de synthèse d’une partie de la protéine © Wikimedia commons

Dans le rôle de l’exterminateur des molécules étrangères, voici donc la protéine cytochrome P450. Parmi la batterie de tests qu’un médicament devra subir avant d’être retenu, il y a donc sa destruction par cette protéine du foie. Et ce n’est pas si simple. Il n’existe pas qu’une seule « version » de cytochrome P450 mais une vingtaine (chez l’homme). Une vingtaine de nos gènes « codent » pour la fabrication de ces différents cytochromes et en fonction de son hérédité mais aussi de son environnement, chacun d’entre nous n’aura pas la même proportion de ces différents cytochromes. Il faut donc s’assurer que l’interaction du médicament n’est néfaste avec aucun d’entre eux. Oui mais comment ? Comme le souligne en souriant Gilles Truan, on ne va pas prélever un petit morceau de foie à tout le monde à chaque fois qu’on veut tester un nouveau médicament ! Et c’est là que la levure intervient. Notre gonfleuse de pain va se transformer en organisme génétiquement modifié pour mimer ce qui se passe dans notre foie.

La réponse est dans la levure !

L’idée est d’introduire dans des cellules de levure les gènes humains qui codent pour les différents cytochromes P450 humain (un seul des 20 gènes par cellule de levure). Les levures seront ensuite capable de lire les informations contenues dans ces gènes et de synthétiser elles-mêmes les protéines correspondantes. La levure est particulièrement bien adaptée pour cette expérience. Sa cellule possède des « compartiments » analogues à ceux que l’on rencontre dans nos cellules de foie et les différentes protéines sont localisées au même endroit. De plus, dans nos propres cellules, le cytochrome P450 a besoin de partenaires pour fonctionner : ce sont d’autres protéines qui lui fournissent son « carburant » (sous forme d’électrons). Il existe déjà une forme de ces « partenaires-rédox » (levCPR et levb5) chez la levure qui sont presque équivalents aux partenaires redox humains (humCPR, humb5).
Pour introduire le gène humain dans la levure, les chercheurs utilisent une forme très particulière d’ADN : un plasmide. Un plasmide est un fragment d’ADN, la plupart du temps circulaire, que possèdent les bactéries et la levure, et qui a la propriété de se répliquer en utilisant la machinerie cellulaire, indépendamment de l’ADN contenu dans les chromosomes. A l’aide de différents outils moléculaires qui agissent sur l’ADN à la manière de la colle et des ciseaux, le biologiste peut ajouter un ou plusieurs gènes humains sur un plasmide. Une fois introduits dans la levure, ces plasmides (appelés plasmides recombinants) pourront se multiplier et produire les cytochromes P450 humains. Certains plasmides peuvent aussi s’intégrer dans les chromosomes de la levure et donc y transférer le gène d’intérêt.
Une fois le gène du cytochrome P450 introduit dans la levure, on peut vérifier que la protéine a bien été synthétisée grâce à des expériences de spectroscopie (le cytochrome P450 a un spectre d’absorption de la lumière bien reconnaissable). On obtient ainsi des levures de 1ère génération abritant des cytochromes P450 humain. Mais le modèle peut être encore amélioré. En effet lorsque la levure produit ainsi le cytochrome P450 humain, la proportion entre cytochrome P450 et les partenaires redox n’est pas optimale. Les généticiens peuvent donc tout d’abord réguler (et donc adapter) la quantité des partenaires redox de la levure (levCPR et levb5). Et enfin, pour parfaire encore le modèle, ils peuvent aussi introduire les gènes humains codant pour les partenaires rédox pour remplacer ceux de la levure. Ils ont ainsi construit un micro-organisme capable de reproduire les réactions d’élimination des médicaments réalisées par le foie humain. Les chercheurs peuvent alors tester simplement comment les nouvelles molécules thérapeutiques sont éliminées. Cette « levure du chercheur », comme la baptise Gilles Truan, a donné lieu à un brevet déposé par le CNRS ainsi qu’à une exploitation commerciale par la société Spi-Bio qui vend aujourd’hui les fractions de levure contenant les cytochromes P450 et les partenaires redox.

Et si au lieu de détruire les médicaments, la levure en fabriquait ?

Bio-hydrocortisone
© G. Truan et D. Pompon (CGM)

Dans la deuxième partie de sa présentation, Gilles Truan a exposé aux participants un travail de longue haleine, commencé il y a une dizaine d’années avec plusieurs équipes du CNRS et des laboratoires pharmaceutiques : la synthèse complète d’un médicament anti-inflammatoire, l’hydrocortisone, par une levure à partir seulement de sucre et d’éthanol !
L’idée d’une synthèse de médicament entièrement biologique par un micro-organisme génétiquement modifié excite les généticiens depuis de nombreuses années mais il a fallu les progrès du génie génétique pour la rendre possible. Actuellement, il existe deux voies de production de médicaments. La première est l’extraction de substances naturelles d’organismes vivants, mais ce procédé est destructeur et, pour des médicaments à fort tonnage, les réserves naturelles ne seraient pas assez abondantes. La seconde est la synthèse par voie chimique de ces mêmes molécules, ou de dérivés améliorés. Cette voie est actuellement largement majoritaire et les chimistes ont déployé des trésors d’ingéniosité pour parvenir à synthétiser des molécules de plus en plus complexes. Mais chaque médaille a son revers : ces procédés sont coûteux et générateurs de sous-produits qui peuvent s’avérer difficiles à éliminer. Une troisième voie est donc la synthèse « biologique » : il s’agit de détourner la machinerie enzymatique d’une cellule pour l’amener à produire le médicament voulu. Comme nous le disions précédemment, les protéines-enzymes sont des « chimistes moléculaires » capables de réaliser dans les conditions douces des réactions chimiques avec une efficacité extraordinaire et sans sous-produits néfastes. Il s’agit donc ni plus, ni moins que de reprogrammer les gènes du micro-organisme pour qu’il réalise une par une et de façon coordonnée les étapes successives de la synthèse.
La levure s’est avérée la meilleure encore une fois ! Sa cellule comporte des compartiments qui permettent de réaliser les différentes étapes sans tout mélanger. Elle transforme naturellement l’éthanol en une autre molécule : l’ergosterol qui sera le point de départ de la synthèse. Il a fallu ensuite réaliser des modifications génétiques d’une très grande complexité : introduire les bons gènes qui coderont pour les enzymes catalysant chacune des 9 étapes de la synthèse (gènes empruntés à d’autres organismes : le bœuf, l’homme, des plantes…), introduire d’autres gènes qui permettront de réguler l’action de ceux-ci, modifier certains gènes de la levure pour éviter qu’elle n’utilise pour son propre compte les intermédiaires de la réaction… Une quinzaine de modifications génétiques qu’il a fallu mettre au point… un travail titanesque, mais le résultat est là : une « usine chimique » de la taille de quelques microns capable de réaliser avec du sucre et de l’éthanol, sans plus aucune intervention extérieure, à faible coût et sans pollution, un médicament d’une très grande pureté. Une première mondiale française qui sera sans doute suivie d’autres idées similaires !

Un petit tour au sous-sol…

Centre de Génétique Moléculaire
© CNRS Photothèque / DARS Jean-François

Après son exposé et les nombreuses questions qu’il a suscitées, Gilles Truan a conduit le public dans les sous-sols du CGM pour lui montrer ce qu’est un laboratoire de biologie moléculaire, avec ses étuves où les levures se multiplient bien au chaud. Il a expliqué le fonctionnement des différents appareils qui servent à analyser les protéines fabriquées par les levures génétiquement modifiées : on peut les caractériser grâce à leur taille, leur formule chimique, leur spectre d’absorption... Des instruments de dernière génération pour étudier un micro-organisme que l’homme a apprivoisé depuis la nuit des temps ! Gageons que la levure a encore bien d’autres services à rendre aux chercheurs au 21ème siècle … [1]


[1Compte-rendu écrit par Séverine Martrenchard (CNRS-LPPM-CVC)