Cytotoxic and antibacterial diketopiperazine cyclic dipeptides from Streptomyces canescens associated with marine sponge Haliclona caerulea

Résumé technique : Diketopiperazines cycliques de type dipeptide cytotoxiques et antibactériens issues de Streptomyces canescens

Énoncé du problème
La menace croissante de la résistance aux antibiotiques à l'échelle mondiale et le besoin urgent de sources durables de nouveaux composés bioactifs ont stimulé l'exploration des écosystèmes microbiens marins. Les éponges marines, particulièrement celles du genre Haliclona, sont connues pour héberger diverses communautés bactériennes, incluant des espèces de Streptomyces, qui servent de producteurs prolifiques de métabolites secondaires. Bien que les éponges Haliclona aient fourni divers alcaloïdes, les 2,5-diketopiperazines (DKP) à base de proline dérivées spécifiquement des symbiotes Streptomyces de Haliclona caerulea restent sous-explorées. Cette étude aborde la lacune dans les connaissances concernant la diversité chimique et la bioactivité des DKP de cette relation symbiotique marine spécifique, visant à identifier des pistes potentielles pour les thérapies antibactériennes et anticancéreuses.

Méthodologie
La recherche a employé une approche multidisciplinaire combinant la microbiologie, la chimie des produits naturels et la biologie computationnelle :

1. Collecte et isolation d'échantillons : L'éponge marine Haliclona caerulea a été collectée sur l'île de Larak, dans le golfe Persique. Les bactéries associées ont été isolées en utilisant des techniques microbiologiques standards sur un milieu agar starch-yeast extract peptone (SYPA) et agar marine sponge (MSA).
2. Identification de la souche : L'isolat le plus puissant, désigné AHL19, a été caractérisé par des tests morphologiques, biochimiques et physiologiques. L'identification moléculaire a été confirmée par séquençage du gène de l'ARNr 16S et analyse phylogénétique, identifiant la souche comme étant Streptomyces canescens.
3. Fermentation et extraction : La souche a été cultivée dans des milieux de fermentation optimisés. Les extraits bruts ont été obtenus par acétate d'éthyle. Pour isoler des composés spécifiques, l'extrait brut a subi un partitionnement par extraction liquide-liquide (LLE) en fractions de n-hexane, de dichlorométhane (DCM) et de méthanol aqueux.
4. Criblage de la bioactivité :
   • Antibactérien : Des essais de concentration minimale inhibitrice (CMI) ont été réalisés contre Staphylococcus aureus, Micrococcus luteus, Escherichia coli et Pseudomonas aeruginosa.
   • Cytotoxicité : L'essai de réduction MTT a été utilisé pour évaluer la cytotoxicité contre la lignée cellulaire d'adénocarcinome colorectal humain (HT29).
5. Élucidation structurale : La fraction DCM bioactive a été soumise à une HPLC semi-préparative. Six composés ont été isolés et caractérisés par LC-ESI-MS et une spectroscopie RMN 1D et 2D étendue (1H, 13C, COSY, HSQC, HMбле).
6. Études computationnelles :
   • Docking moléculaire : Les DKP isolées ont été dockées contre des cibles bactériennes (ADN gyrase A, ADN gyrase B, Dihydrofolate réductase [DHFR]) et une cible liée au cancer (β-tubuline) pour prédire les affinités de liaison et les modes d'interaction.
   • Simulation de dynamique moléculaire (MD) : Des simulations MD de 100 ns ont été conduites pour évaluer la stabilité structurelle et la persistance de l'interaction du meilleur composé (Composé 5) avec la DHFR et la β-tubuline, en comparaison avec l'antibiotique standard, la streptomycine.

Contributions clés et résultats

• Isolation de métabolites bioactifs nouveaux : L'étude a réussi l'isolement et la caractérisation de six 2,5-diketopiperazines (DKP) à base de proline issues de la fraction DCM de S. canescens AHL19 :

  1. Cyclo (L-Pro-L-Val)
  2. Cyclo (L-Pro-L-Ile)
  3. Cyclo (L-Pro-L-Leu)
  4. Cyclo (L-Pro-L-Phe)
  5. Cyclo (L-Pro-L-Tyr)
  6. Cyclo (4-hydroxy-L-Pro-L-Phe)
     Cela représente le premier rapport de ces DKP spécifiques provenant de Streptomyces associés à H. caerulea.

• Activité antibactérienne : L'extrait brut d'acétate d'éthyle a démontré une activité antibactérienne à large spectre avec des valeurs de CMI allant de 64 à 256 µg/mL contre des pathogènes Gram-positifs et Gram-négatifs. La fraction DCM, contenant les DKP isolées, a été sélectionnée pour une étude plus approfondie en raison de sa puissante cytotoxicité.

• Cytotoxicité : La fraction DCM a présenté une cytotoxicité puissante contre les cellules HT29 avec une valeur IC50 de 4,0 ± 0,7 µg/mL. La fraction méthanol aqueux a montré une puissance encore plus élevée (IC50 1,9 ± 0,3 µg/mL), bien que la fraction DCM ait été privilégiée pour l'isolement des composés sur la base de son profil chimique.

• Perspectives computationnelles :

  • Sélection de la cible : Le docking moléculaire a révélé que les DKP isolées ne présentaient pas d'affinité de liaison significative pour l'ADN gyrase A ou B. Cependant, elles ont montré des interactions prometteuses avec la DHFR et la β-tubuline.
  • Supériorité du Composé 5 : Le Cyclo (L-Pro-L-Tyr) (Composé 5) a démontré la plus haute affinité de liaison parmi les composés testés. Il a atteint un score de docking de -8,108 kcal/mol contre la DHFR et de -9,599 kcal/mol contre la β-tubuline, surpassant la streptomycine dans l'essai DHFR.
  • Rôle des groupes hydroxyle : La présence d'un groupe hydroxyle sur le noyau phényle du Composé 5 a été identifiée comme critique pour une liaison accrue, formant des liaisons hydrogène supplémentaires avec les résidus Thr122 (dans la DHFR) et Gln134 (dans la β-tubuline).
  • Stabilité de la simulation MD : Les simulations MD ont confirmé que le complexe Composé 5-DHFR présentait une plus grande stabilité structurelle (fluctuations RMSD plus faibles) et des interactions clés plus persistantes par rapport au complexe streptomycine-DHFR sur une trajectoire de 100 ns. Une stabilité similaire a été observée pour le complexe Composé 5-β-tubuline.

Signification et revendications
Les auteurs présentent cette étude comme le premier rapport de DKP à base de proline isolées de Streptomyces canescens associé à l'éponge marine Haliclona caerulea. La recherche souligne la biodiversité inexploitée des symbiotes marins comme source durable pour la découverte de médicaments.

L'article postule que ces DKP à base de proline, caractérisées par leur rigidité conformationnelle et leurs degrés variables d'effets antibactériens et cytotoxiques, sont des pistes de médicaments prometteuses. Plus précisément, le Composé 5 est mis en évidence comme un composé naturel puissant capable de cibler efficacement la DHFR bactérienne et la β-tubuline liée au cancer. L'étude conclut que ces découvertes soutiennent le potentiel des écosystèmes microbiens marins pour lutter contre la résistance aux antibiotiques et les maladies néoplasiques, ouvrant la voie à de nouvelles investigations sur les mécanismes, la semisynthèse et les applications cliniques de ces dipeptides cycliques.