Isolation of oxygen-dependent nicotine- and pseudooxynicotine-metabolizing enzymes

Depuis des décennies, les scientifiques cherchent un moyen biologique de briser l'emprise de la dépendance à la nicotine. L'idée est simple : si l'on pouvait introduire dans le corps une enzyme capable de détruire rapidement la nicotine avant qu'elle n'atteigne le cerveau, l'envie de fumer pourrait disparaître. La nature a déjà fourni un candidat pour cette tâche. Une bactérie présente dans le sol, Pseudomonas putida, produit une enzyme appelée NicA2 qui peut convertir la nicotine en une substance inoffensive. Cependant, cette version naturelle présente un défaut majeur. À l'intérieur de la bactérie, l'enzyme fonctionne comme une machine spécialisée qui a besoin d'un partenaire spécifique, une petite protéine appelée cytochrome, pour fonctionner. Sans ce partenaire, l'enzyme est incroyablement lente, réagissant avec l'oxygène de manière si laborieuse qu'il faudrait des doses massives et impraticables pour qu'elle soit efficace chez un patient humain. Les chercheurs ont tenté de corriger cela en modifiant la structure de l'enzyme en laboratoire pour la rendre plus rapide, mais ils se sont heurtés à un mur. L'enzyme refuse simplement de devenir beaucoup plus rapide dans l'utilisation de l'oxygène par elle-même.

Pour trouver une meilleure solution, une équipe de chercheurs a décidé d'arrêter de tenter de réparer l'ancienne machine et de chercher plutôt une nouvelle machine entièrement. Ils sont partis à la chasse dans le sol et les déchets de tabac pour trouver des bactéries capables de consommer la nicotine comme seule source de nourriture, espérant ainsi trouver une enzyme naturellement évoluée qui fonctionne efficacement avec l'oxygène. Ils ont trouvé exactement ce qu'ils cherchaient dans une souche de bactérie nommée Peribacillus frigoritolerans NIC8. Ce microbe, isolé d'une cigarette non fumée, possède un ensemble unique d'enzymes qui agissent comme de véritables oxydants. Contrairement à la lente NicA2, dépendante d'un partenaire, ces nouvelles enzymes, nommées Ncox et Pnox, peuvent saisir la nicotine et son cousin chimique, la pseudooxynicotine, et les décomposer rapidement en utilisant seulement l'oxygène de l'air. La vitesse à laquelle elles travaillent est près de mille fois supérieure à celle de l'originale NicA2 lorsque l'oxygène sert de carburant, offrant une nouvelle voie prometteuse pour le traitement de l'addiction.

Le voyage a commencé par une simple observation. Les chercheurs ont prélevé des échantillons dans des champs de tabac et des mégots de cigarettes, les plaçant sur des boîtes où la nicotine était la seule nourriture disponible. La plupart des bactéries ont péri de faim, mais une colonie s'est développée vigoureusement. L'analyse génétique a identifié ce survivant comme étant une souche de Peribacillus frigoritolerans, une espèce auparavant connue mais non réputée pour consommer de la nicotine. Lorsque les chercheurs ont retiré un anneau spécifique d'ADN de 123 000 paires de bases, appelé plasmide, de la bactérie, l'organisme a immédiatement perdu sa capacité à croître grâce à la nicotine. Cela a prouvé que le secret de son régime alimentaire était codé sur ce fragment de matériel génétique supplémentaire. À l'intérieur de ce plasmide, l'équipe a trouvé deux gènes situés juste à côté l'un de l'autre, qu'ils ont nommés ncox et pnox. Ces gènes produisent des enzymes qui ressemblent à la célèbre NicA2 mais qui sont suffisamment distinctes pour suggérer qu'elles ont évolué séparément.

Pour comprendre comment ces enzymes fonctionnaient, l'équipe les a produites en laboratoire en utilisant des bactéries E. coli et les a observées en action. Ils ont observé que lorsque l'enzyme Ncox rencontrait la nicotine, elle passait du jaune au transparent presque instantanément, un signe visuel qu'elle modifiait chimiquement la nicotine. L'enzyme Pnox faisait la même chose lorsqu'elle rencontrait la pseudooxynicotine, une substance qui se forme naturellement lorsque le premier produit de la décomposition de la nicotine repose à l'air libre. Crucialement, aucune de ces enzymes n'avait besoin d'une protéine partenaire pour faire cela ; elles travaillaient directement avec l'oxygène de l'air. Lorsque les chercheurs ont mesuré la vitesse de cette réaction, ils ont constaté que Ncox pouvait traiter la nicotine à un taux de 7,7 fois par seconde, tandis que Pnox traitait sa cible à 3, de 3,9 fois par seconde. Ces chiffres sont nettement supérieurs à ceux de l'originale NicA2, qui ne parvient qu'à environ 0,007 réaction par seconde lorsqu'elle est laissée à travailler seule avec l'oxygène.

Les chercheurs ont également examiné la façon dont ces enzymes gèrent la molécule d'oxygène elle-même. Dans un processus appelé cinétique transitoire, ils ont mélangé les enzymes avec de l'oxygène dans une machine à flux rapide pour mesurer la vitesse exacte de la réaction. Ils ont découvert que Ncox et Pnox réagissent avec l'oxygène à des taux respectifs de 51 100 et 81 000 par seconde par unité de concentration. Ces taux sont comparables à ceux d'autres enzymes hautement efficaces dans la nature qui sont connues pour être de véritables oxydants, et ils sont des milliers de fois plus rapides que la NicA2. Cela a confirmé que ces nouvelles enzymes ne sont pas seulement des versions légèrement améliorées de l'ancienne, mais des machines fondamentalement différentes, conçues par l'évolution pour travailler dans un environnement riche en oxygène sans avoir besoin d'un partenaire cytochrome.

Pour prouver que ces enzymes pouvaient réellement remplacer le partenaire manquant dans un système biologique, l'équipe a réalisé une expérience de sauvetage. Ils ont pris une souche de la bactérie originale Pseudomonas putida qui avait été génétiquement modifiée pour être dépourvue de son partenaire cytochrome, la rendant incapable de consommer de la nicotine. Lorsqu'ils ont donné à cette bactérie handicapée le gène de la nouvelle enzyme Ncox, la bactérie a immédiatement retrouvé sa capacité à croître sur la nicotine. En fait, la bactérie a crû plus rapidement avec la nouvelle enzyme Ncox qu'avec la meilleure version de la vieille NicA2 ayant subi une évolution en laboratoire. Cela a démontré que la nouvelle enzyme pouvait fonctionner de manière indépendante et efficace dans un système vivant, contournant ainsi le besoin de la machinerie cellulaire complexe requise par l'enzyme originale.

L'étude a également révélé comment la bactérie régule ces enzymes. En comparant l'activité génétique de la bactérie lorsqu'elle est cultivée sur de la nicotine par rapport à lorsqu'elle est cultivée sur une autre source de nourriture, les chercheurs ont vu que les gènes de Ncox et Pnox étaient activés à un niveau élevé en présence de nicotine. Cela suggère que la bactérie utilise naturellement ces enzymes pour digérer la nicotine lorsqu'elle la rencontre dans son environnement. L'analyse génétique a également montré que ces enzymes proviennent probablement d'un ancêtre commun présent chez d'autres bactéries, mais qu'elles ont suivi un chemin évolutif différent de celui de la NicA2 trouvée dans les bactéries du sol. Tandis que la NicA2 restait liée au système de cytochrome, ces nouvelles enzymes de Peribacillus ont évolué pour utiliser l'oxygène directement, peut-être parce que l'environnement spécifique qu'elles habitent favorisait cette méthode plus simple et plus rapide.

Les implications de cette découverte sont significatives pour l'avenir du traitement de l'addiction. L'objectif principal de l'utilisation d'enzymes pour traiter la dépendance à la nicotine est de nettoyer la drogue du flux sanguin assez rapidement pour empêcher le cerveau de ressentir l'effet de la montée. L'enzyme NicA2 originale était trop lente pour accomplir cela sans nécessiter des doses énormes qui seraient difficiles et coûteuses à produire. La nouvelle enzyme Ncox, avec sa capacité à travailler rapidement avec l'oxygène, offre une solution beaucoup plus pratique. C'est un outil naturellement présent, hautement efficace, qui ne nécessite pas les partenaires cellulaires complexes qui limitent les performances de ses prédécesseurs. Bien que les chercheurs notent que l'enzyme doit encore faire l'objet de tests supplémentaires pour voir si elle peut être optimisée pour l'usage humain, la découverte fournit un nouveau candidat puissant que la nature a déjà perfectionné pour fonctionner à la vitesse nécessaire à un effet thérapeutique.