Caractérisation Mécanistique et Structurelle du Complexe Biosynthétique de la Nisine

Les produits naturels sont des molécules synthétisées par des organismes vivants utiles à de  nombreuses fonctions, notamment servant à traiter diverses maladies humaines. Effectivement, la majorité des médicaments approuvés pour usage humain sont soit des produits naturels ou soit des dérivés synthétiques de ceux-ci. De nombreux produits naturels traditionnellement utilisés pour traiter les infections bactériennes humaines ont perdu de leur efficacité en raison de l’émergence généralisée de la résistance aux antimicrobiens. À la lumière de cette réalité, il est d’une nécessité urgente de générer de nouveaux composés antimicrobiens traitant ces infections. Le projet de recherche proposé s’attaque à ce défi à travers l’élucidation des principes mécanistiques des enzymes étant à la source de la synthèse de ces produits naturels antimicrobiens. Plus spécifiquement, le projet se focalise sur une classe émergente de produits naturels peptidiques codés génétiquement communément appelés RiPP. La biosynthèse des RiPP nécessite des enzymes multifonctionnelles qui ont une spécificité de substrat hautement relâchée leur conférant un grand potentiel de manipulation et d’ingénierie. Curieusement, malgré leur inhérente plasticité catalytique, la plupart des enzymes RiPP produisent des produits finaux très spécifiques et les origines mécanistiques conférant cette fidélité biosynthétique sont inconnues. Pour expliquer ce phénomène, nous avançons que les enzymes biosynthétiques RiPP maintiennent leur fidélité catalytique par l’emploi de transitions conformationnelles structurellement dynamiques et par des interactions protéine-protéine guidant la maturation de leurs substrats peptidiques. Cependant, la compréhension de ces mouvements dynamiques structurels et de leur relation précise avec la fonction biochimique des enzymes produisant les RiPP nécessite un arsenal d’études biophysiques dépassant la capacité d’un seul groupe de recherche. Dans cette proposition, notre équipe de chercheurs de l’Université McGill exploitera leur expertise combinée pour démêler plus spécifiquement la base structurelle de la biosynthèse de la nisine – un RiPP antimicrobien produit par un complexe enzymatique à plusieurs composantes. Le groupe du Dr. Thibodeaux développera des tests basés sur la spectrométrie de masse afin d’étudier la dynamique structurale, le paysage conformationnel et les propriétés cinétiques des enzymes participant à la biosynthèse de la nisine afin de déterminer comment les interactions protéine-protéine du complexe enzymatique étudié influencent les différentes étapes de maturation de la nisine. Le groupe du Dr. Zeytuni reconstituera l’activité in vitro et examinera les propriétés structurales du transporteur de la nisine (NisT) – une protéine membranaire intégrale qui exporte le peptide précurseur de la nisine (NisA) du cytosol bactérien à l’espace extracellulaire – connue pour son influence dans la maturation cinétique de la nisine. Finalement, les groupes du Dr. Ortega et du Dr. Zeytuni obtiendront la première structure à haute résolution d’un complexe biosynthétique RiPP en utilisant la cryo-microscopie électronique (cryo-ME). Dans l’ensemble, ces approches expérimentales de pointe fourniront d’importantes nouvelles informations mécanistiques et structurelles sur la biosynthèse des produits naturels RiPP qui serviront à établir une base critique pour l’ingénierie de ces systèmes dans le but de produire de nouveaux antibiotiques.