La biosynthèse de la grande variété de produits végétaux naturels n’a pas encore été élucidée pour de nombreuses substances médicalement intéressantes. Dans une nouvelle étude, une équipe internationale de chercheurs a pu montrer comment sont synthétisés les alcaloïdes ipecacuanha, substances utilisées en médecine traditionnelle. Ils ont comparé deux espèces végétales éloignées et ont pu montrer que, même si les deux espèces végétales utilisent une approche chimique comparable, les enzymes dont elles ont besoin pour la synthèse diffèrent et un matériau de départ différent est utilisé. Des recherches plus approfondies ont révélé que les voies de biosynthèse de ces composés chimiques complexes se sont développées indépendamment chez les deux espèces. Ces résultats contribuent à permettre la synthèse de ces substances et de substances apparentées à plus grande échelle à des fins médicales.
L'élucidation de la voie de biosynthèse des alcaloïdes d'ipecacuanha montre comment deux espèces végétales éloignées peuvent développer indépendamment la même substance.
Les plantes produisent une énorme abondance de produits naturels. De nombreux produits végétaux naturels sont spécifiques à une ascendance et ne se trouvent que dans certaines familles de plantes, parfois seulement dans une seule espèce. Il est toutefois intéressant de noter que les mêmes substances peuvent parfois être trouvées dans des espèces éloignées. Cependant, dans la plupart des cas, seul le produit final est connu et la manière dont ces substances sont produites dans les plantes reste très floue. Les alcaloïdes d'Ipecacuanha sont présents dans deux espèces végétales éloignées, connues sous le nom de plantes médicinales : dans l'ipecac Carapichea ipecacuanha, qui appartient à la famille des gentianes, et dans l'alangium à feuilles de sauge (Alangium salviifolium), qui appartient à la famille des cornouillers et est connu de la médecine ayurvédique.
Des études antérieures avaient déjà montré que les deux espèces produisent des alcaloïdes ipecacuanha. En particulier, l'extrait d'ipéca (« sirop d'ipéca ») était un médicament largement utilisé en pharmacie jusque dans les années 1980 (surtout en Amérique du Nord), utilisé pour provoquer des vomissements en cas d'empoisonnement. Les substances émétiques actives sont la céphaéline et l’émétine, toutes deux dérivées du précurseur protoémétine, mais on ignore en grande partie comment elles les produisent. Dans seulement deux petites études, des enzymes ont été identifiées dans l'ipéca, mais la plupart des enzymes étaient inconnues et aucune enzyme n'était connue dans l'Alangium.
Pour Maite Colinas, premier auteur de l'étude et chef du groupe de projet au Département de biosynthèse des produits naturels de l'Institut Max Planck d'écologie chimique de Jena, les questions clés étaient les suivantes : « Le dernier ancêtre commun de ces espèces vivait il y a plus de 100 millions d'années. Nous avons donc émis l'hypothèse que les deux espèces avaient développé indépendamment des moyens de produire des alcaloïdes ipéca. Une question clé était de savoir s’ils avaient trouvé des voies identiques ou différentes pour produire ces composés, à la fois chimiquement et enzymatiquement. »
Initialement, l’équipe a découvert que les alcaloïdes de l’ipéca sont présents dans une certaine mesure dans tous les tissus végétaux des deux espèces, mais que des quantités beaucoup plus élevées sont présentes dans les jeunes tissus des feuilles et dans les organes souterrains des plantes. En comparant des tissus présentant des niveaux élevés et faibles d'alcaloïdes ipéca, des gènes susceptibles d'être impliqués dans la biosynthèse ont été identifiés. Des tests supplémentaires et la transformation génétique d'une plante modèle ont permis la reconstruction progressive de la voie de biosynthèse chez les deux espèces. Le parcours réservait quelques surprises ; Contrairement aux attentes, la première étape de la biosynthèse ne semble pas être contrôlée par une enzyme, mais se produit spontanément. Une autre surprise a été l'implication d'une enzyme inhabituelle. Sa structure tridimensionnelle était complètement différente de toutes les autres enzymes catalysant la même réaction, à savoir le clivage d'une molécule de sucre. "Cette classe d'enzymes n'est généralement pas impliquée dans la production de produits naturels.
