Applications des biotechnologies modernes

Exemples d'applications des biotechnologies modernes: 1/ Désaturase et introduction de doubles liaisons dans les acides gras des lipides, 2/ Augmentation des antioxydants dans la tomate à travers la modification de la voie de biosynthèse des flavonoïdes, 3/ manipulation d'enzymes pour modifier le groupe sanguin.


Désaturase et acides gras insaturés: La désaturase est une enzyme qui introduit des doubles liaisons dans les Acides gras (constituants des lipides) les rendant plus bénéfiques pour la santé.

Les acides gras saturés, mono-insaturés, poly-insaturés sont les constituants naturels des graisses animales et végétales et, chez ces derniers, deux types sont majoritaires : les mono-insaturés avec, comme chef de file, l'acide oléique (C18:1 n-9 ), et les poly-insaturés avec respectivement, l'acide linoléique ( C18:2 n-6) et l'acide linolénique (C18:3 n-3).
Les proportions en ces différents acides gras vont avoir des conséquences sur la qualité des gras.

Au niveau du métabolisme existe deux méthodes courantes pour créer des doubles liaisons dans une chaîne carbonée :

1/ Utilisation de flavoprotéines en absence d'oxygène fonctionnant selon le mode de la succinate déshydrogénase. Ceci entraîne la formation d'une double liaison 'trans'
2/ Utilisation d'une oxygénation suivie d'une déshydratation. Ceci fournit une double liaison 'cis'

La désaturase à fer non héminique est une enzyme membranaire qui catalyse à la fois l'oxygénation et la déshydratation consécutive d'acides gras déjà synthétisés au stade C18 (stéaryl-CoA donnant oléyl-CoA). La reaction catalysée est:

R1-CH2-CH2-R2 + O2 + 2e- + 2H+ R1-CH=CH-R2 + 2H20

La désaturase reçoit des électrons du cytochrome b5 au niveau du réticulum cytoplasmique et qui est inhibé par le cyanure

desaturase et acides gras des lipides

Pour cela utiliser un des logiciels de visualisation moléculaire dans l'espace comme Rasmol (voir le lien: http://www.takween.com/StructureProtéines/structures_Préambule.html

Quelques information sur la structure de la désaturase dont le site actif (Figure ci contre) :

- Métalloenzyme à 2 atomes de fer
- Dimère : Chaque monomère de 363 acides amines est constitué d'un seul domaine de 17 hélices alpha
- Acide aminé C-terminal : Leu 363
- Distance entre les deux atomes de Fe : 4.2 A.
- Structure (17 hélices alpha) : 'structure'
- Sélection du ligand (Acetate ACT 366 + 2 Fe : Fe 364 et Fe 365) : 'select ligand', ball and stick'
- Limitation des motifs Acetate (ACT366), Fe 364 et Fe 365, Glu196, His232, Glu143, Glu229, Glu105, His146): 'restrict 364,365,366,196,232,143,229,105,146', 'stick'
- Limitation du site actif: Restrict within(15.0,ACT366).


biotechnologies  modernes. acides gras, antioxydants


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Sciences et vie, Biochimie

 

Chez les Mammifères, l'apparition des doubles liaisons dans les Acides gras (désaturation) est un processus aérobie qui utilise une désaturase ayant une préférence pour les substrats en C16 et C18.

dsaturase et acides gras

Constituants du site actif d'une désaturase

Nous proposons l'étude tridimensionnelle de la désaturase (code : 1OQ9) (Azide and acetate complexes plus two iron-depleted crystal structures of the di-iron enzyme delta9 stearoyl-acyl carrier protein desaturase. Implications for oxygen activation and catalytic intermediates.MOCHE et al. 2003. JBC).

Applications biotechnologiques:

Contrôle des apports en acides gras. Les plantes produisent environ deux cents acides gras qui diffèrent par le nombre de carbones, mais aussi par le nombre de doubles liaisons et de radicaux divers.

Au cours des dernières années, pratiquement toutes les enzymes de biosynthèse ont été caractérisées et la plupart des gènes ont été clonés (VOELKER T., KINNEY A.J. - Variations in the biosynthesis of seed storage lipids. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Biol. Mol., 2001, 52, 335-361.). Les nutritionnistes recommandent aujourd'hui de consommer essentiellement des huiles végétales 'sans cholestérol' riches en acide oléique, tout en évitant les procédés d'hydrogénation qui conduisent à la formation de trans-acides gras qui se révèlent délétères (NOAKES M., CLIFTON P.M. - Oil blends containing hydrogenated or esterified fats : differencial effects on plasma lipids. Am. J. Clin. Nutr., 1998, 98, 242-247.).
Des chercheurs américains avaient réussi à diminuer des quantités importantes d'acides gras poly-insaturés en augmentant la proportion d'acide oléique dans les graines de soja (VANCE V., VAUCHERET H. - RNA silencing in plants-defense and counter defense. Science, 2001, 292, 2277-2280.) . Leur objectif visait l'extinction de l'expression du gène de la FAD2 (fatty acid desaturase 2) par transgenèse. Ils ont exploité le phénomène de "post transcriptionnal gene silencing" (PTGS) qui fait intervenir la dégradation spécifique des ARN messagers, entraînant l'extinction de l'expression des gènes en cause. Ce dispositif, dont les modalités précises sont en cours d'étude, permet effectivement de 'cibler l'extinction' d'une activité enzymatique (KINNEY A. - Development of genetically engineered soybean oils for food applications. J. Food lipids, 1996, 3, 273-292.).


Augmentation des antioxydants dans la tomate à travers la modification de la voie de biosynthèse des flavonoïdes.

Les flavonoïdes sont des métabolites phénoliques qui existent naturellement chez les plantes. Testés in vitro, plusieurs composés de ce groupe se sont avérés de puissants antioxydants. Les études épidémiologiques ont démontré une corrélation directe entre les taux élevés de flavonoïdes et la dininution des risques liés aux maladies cardiovasculaires, au cancer et aux maladies liées au viellissement. A partir des données structurales, les scientifiques cherchent à identifier l'architecture des sites actifs et à comprendre leur mécanisme d'action.


La stimulation de la biosynthèse des flavonoïdes dans certains fruits serait une voie prometteuse pour concentrer ces composés dans les denrées alimentaires. En manipulant les gènes gouvernant la voie de biosynthèse des flavonoïdes chez la tomate, plusieurs lignées ont été obtenues montrant des taux très différents en flavonoïdes.Une augmentation de plus de 78 fois a été enregistrée pour les flavonols du fruit suite à la modification de l'expression d'une seule enzyme la chalcone isomérase. Plus de détails dans: Verhoeyen et al., 2002. j.exp.Bot. 53, 2099-2106.

Du sang de groupe O pour tous grâce à des enzymes?

Deux familles d'enzymes qui permettraient de modifier les molécules présentes à la surface des globules rouges caractérisant les antigènes des groupes sanguins A, B et AB viennent d'être identifiées par le laboratoire Architecture et fonction des macromolécules biologiques (CNRS - Université Aix-Marseille 1 et 2), en collaboration avec la société ZymeQuest Inc(1). Les propriétés uniques et la grande efficacité de ces deux nouvelles familles d'enzymes permettent d'envisager la conversion à grande échelle des groupes sanguins A, B et AB en groupe O, c'est à dire en donneur universel. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Biotechnology d'avril 2007 et en illustrent la couverture.

Le système ABO est découvert par Karl Landsteiner en 1900. Le groupe sanguin O (n'étant porteur d'aucun antigène) est appelé donneur universel car il est transfusable à tous les groupes sanguins (A, B, AB et O). Par contre la transfusion de sang de groupe A chez un patient ayant le groupe B (et inversement) provoque l'accident ABO(2) et peut se révéler mortelle. Des erreurs d'étiquetage sont encore à l'origine de décès chaque année. La conversion des groupes sanguins A, B et AB en groupe O, donneur universel, permettrait d'éviter ces risques. Au-delà, et de façon plus significative, la conversion des groupes sanguins aurait également un avantageéconomique considérable car à l'heure actuelle les centres de transfusion doivent posséder et renouveler constamment des stocks de sang de 4 groupes (A, B, AB et O). On sait par ailleurs la difficulté qu'il y a parfois à avoir des stocks suffisants de certains groupes sanguins (variations saisonnières ou explosion de la demande en cas de catastrophe naturelle par exemple). La possibilité de convertir les groupes sanguins permettrait donc de résoudre ces problèmes en améliorant considérablement l'approvisionnement en groupe sanguin O.

Les nouvelles enzymes découvertes après une exploration minutieuse de la diversité du monde bactérien proviennent de bactéries au nom parfois poétique tel que Elizabethkingia, soit « Reine Elizabeth ». Ces enzymes sont capables d'éliminer les molécules de galactose ou de Nacetylgalactosamine présentes à la surface des globules rouges qui caractérisent les antigènes des groupes sanguins A, B et AB. Elles ont acquis des mécanismes catalytiques qui les distinguent des enzymes connues jusqu'alors et dont l'efficacité et le coût de production étaient inappropriés pour effectuer une conversion des groupes sanguins.

Le laboratoire architecture et fonction des macromolécules biologiques étudie les structures tridimensionnelles de ces enzymes par cristallographie aux rayons X et les ont classées en fonction de la succession des acides aminés qui composent leurs séquences. Cette base de données, nommée CAZy(3) pour Carbohydrate-Active Enzymes est utilisée dans le monde entier y compris pour la découverte des gènes dans les génomes.


L'objectif est de mettre en oeuvre des outils qui, dans ce cas précis, amélioreraient l'efficacité de ces enzymes. La structure tridimensionnelle de l'une de ces deux nouvelles enzymes a été identifiée ;celle-ci se révèle totalement différente de toutes les autres enzymes précédemment identifiées et capables d'hydrolyser des carbohydrates tels que le galactose ou la N-acetylgalactosamine.

groupe sanguin O

1 Société américaine qui travaille sur la conception d'instruments et de procédés biotechnologiques pour la conversion des groupes sanguins en vue d'équiper les centres de transfusion sanguine ; www.zymequest.com
2 Accident qui relève d'une incompatibilité des groupes sanguins
3 www.cazy.org

Références
Bacterial glycosidases for the production of universal red blood cells, Qiyong P Liu, Gerlind Sulzenbacher, Huaiping Yuan, Eric P Bennett, Greg Pietz, Kristen Saunders, Jean Spence, Ed Nudelman, Steven B. Levery, Thayer White, John M. Neveu, Williams Lane, Yves Bourne, Martin L Olsson, Bernard Henrissat, Henrik Clausen, Nature Biotechnology, avril 2007.
Site du laboratoire architecture et fonction des macromolécules biologiques : www.afmb.univ-mrs.fr

Plus de détails: FORUM LABO: http://www.forumlabo.com


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Biotechnologies. enzymes et modification acides gras et antioxydants