Les Levures Magiques Et Comment Leur Faire Produire De La Psilocybine

Publication Discussed in this ASC Study Monitor interview:
Milne, N., Thomsen, P., Mølgaard Knudsen, N., Rubaszka, P., Kristensen, M., and Borodina, I. (2020) Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae for the de novo production of psilocybin and related tryptamine derivatives. Metabolic Engineering, 60:25-36

J : Bienvenue, Nick. Merci beaucoup d’être venu ! Dans votre laboratoire du Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, vous avez principalement travaillé sur des projets liés à la durabilité. Qu’est-ce qui vous a amené à vous intéresser à la psilocybine ?

N : Le centre de recherche où j’ai travaillé est le Center for Biosustainability. L’un des principaux objectifs du centre est de développer des processus biosourcés pour remplacer la chimie synthétique non renouvelable. J’ai toujours été intéressé par la santé mentale et en particulier par la manière dont nous traitons la santé mentale (et à quel point nous la traitons mal). Le potentiel de la psilocybine m’a aussi toujours fascinée.

J : La psilocybine n’est pas encore un médicament grand public, elle en est même encore très loin. En même temps, votre sujet de recherche semblait être une excellente idée ; était-ce vraiment si facile à poursuivre?

N : À l’époque, c’était sans doute un peu risqué, et la première fois que j’ai lancé l’idée, on s’est moqué de moi ! Finalement, ce qui a convaincu les gens, c’était de leur montrer les données cliniques. Il y a environ deux ans, beaucoup d’excellentes données cliniques ont commencé à être publiées, montrant le potentiel de ces molécules, et je pense que c’est ce qui a vraiment convaincu les gens du centre de tenter le coup. Heureusement, le centre est devenu une entreprise et maintenant, un an plus tard, l’industrie des psychédéliques devient prometteuse.

J : Et un peu plus d’un an plus tard, vous avez déjà publié vos résultats ! C’est allé assez vite.

N : C’était en effet rapide ! Même selon nos critères, tout s’est déroulé très rapidement et passer de l’idée à la preuve de concept n’a pris que quatre mois environ. Il a fallu un certain temps pour tout mettre sous forme de publication mais les recherches se sont étonnamment bien déroulées. Heureusement, plusieurs autres chercheurs ont apporté une aide précieuse à ce projet, ce qui a permis d’accélérer le processus.

Photo par Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

J : Cela semble formidable ! Pourriez-vous alors résumer ce que vous avez trouvé dans votre étude et expliquer à quel point il a été difficile d’obtenir ces résultats ?

N : L’objectif principal de notre recherche était d’identifier comment les champignons Psilocybe produisent la psilocybine, puis de trouver comment reproduire ce processus dans Saccharomyces cerevisiae, également connue sous le nom de levure de bière. La voie de biosynthèse pour produire de la psilocybine a été découverte il y a quelques années, mais tous les gènes n’ont pas été découverts. La biosynthèse étant un processus nécessitant une action concertée des gènes impliqués dans la synthèse, le transport et la régulation, il est nécessaire de tous les classer. Les principaux gènes identifiés étaient ceux qui catalysaient les réactions critiques, mais il y en avait quelques-uns qui avaient été oubliés et qu’il fallait encore trouver. Nous avons dû creuser un peu dans le génome de Psilocybe cubensis pour trouver les gènes manquants. Nous les avons ensuite introduits dans la levure en transférant le matériel génétique.

Nous avons pu démontrer la production de psilocybine, ce qui était un bon début, mais une grande partie du travail s’est concentrée sur comment produire plus de psilocybine. Pour ce faire, nous avons travaillé sur le métabolisme de la levure native. Les gènes que nous avons transférés du Psilocybe cubensis travaillent ensemble avec les gènes qui pourraient transformer le tryptophane en psilocybine. Le tryptophane est un acide aminé essentiel, mais c’est aussi un acide aminé que la levure produit de manière endogène, comme le font d’ailleurs la plupart des espèces. La partie la plus difficile du travail a été d’augmenter la production de tryptophane – en jouant avec le métabolisme natif de la levure pour augmenter le taux de production de tryptophane, ce qui a ensuite conduit à une plus grande production.

La dernière chose que nous avons faite, c’était de jouer un peu avec le code génétique des gènes du Psilocybe afin de détourner la production vers certains des autres intermédiaires et dérivés de la voie. Par exemple, nous avons montré que nous pouvions apporter une petite modification et produire de l’aeruginascine au lieu de la psilocybine, et qu’en introduisant des gènes entièrement étrangers, nous pouvions fabriquer des molécules qui n’existaient pas encore dans la nature.

J : D’autres études, cependant, ont démontré avec succès la production de psilocybine dans E. coli. ¹ Pouvez-vous expliquer pourquoi vous avez choisi la levure de bière et quel en est l’avantage ?

N : Je pense, tout d’abord, qu’il est bon d’expliquer pourquoi c’est une bonne idée de produire de la psilocybine dans des cellules vivantes en premier lieu. Aujourd’hui, en dehors de notre méthode, il existe deux moyens principaux d’obtenir de la psilocybine : soit vous faites pousser le champignon, soit vous la synthétisez chimiquement. Si vous avez vu à quoi ressemble un champignon, vous savez qu’il n’est pas facile à cultiver et que la psilocybine s’accumule en très petites quantités dans le champignon.

J : La psilocybine n’est pas non plus répartie uniformément dans les différentes parties du champignon. J’imagine donc que l’extraction de la psilocybine à partir de grandes quantités de Psilocybe cubensis doit être délicate.

N : Exactement ! Si nous pensons aux applications commerciales, nous aurions besoin de quantités massives de biomasse de champignons. Il serait difficile de l’extraire, et la complexité de ce processus le rend très difficile pour les applications pharmaceutiques. Si nous voulons utiliser la psilocybine chez l’humain, elle doit être très pure et la production doit être très cohérente. En plus de cela, la plupart des médicaments pharmaceutiques sont dérivés de ressources non renouvelables, y compris la psilocybine. La psilocybine synthétique est dérivée du benzène, qui est un combustible fossile. Elle est également très dangereuse pour l’environnement et les méthodes de synthèse chimique génèrent des déchets toxiques. Il est donc urgent de mettre au point une méthode plus durable, ce qui nous amène à la production dans des micro-organismes.

Et pourquoi la levure plutôt que E. coli ? C’est une excellente question ; à mon avis, il y a deux raisons. La première est que la levure est le plus ancien exemple de domestication au monde. Il y a mille ans, l’homme a commencé à domestiquer la levure pour produire de la bière et, aujourd’hui, cet organisme est élevé essentiellement pour prospérer dans un environnement industriel – il se comporte exceptionnellement bien dans la fermentation de la bière et la production d’éthanol. C’est parce qu’il a évolué au cours de toutes ces années pour tolérer les conditions très extrêmes de la fermentation à l’échelle industrielle.

Cependant, et c’est important pour la psilocybine, l’autre raison principale est que la levure est un parent très proche des champignons Psilocybe d’un point de vue évolutif. Ils appartiennent tous les deux au même règne – ce sont tous les deux des champignons, ce qui fait une différence cruciale si vous voulez exprimer des gènes étrangers dans un organisme ; cela aide s’ils sont déjà étroitement liés, et pour le Psilocybe, c’est très important. L’hydroxylation, qui est l’étape enzymatique clé, ne fonctionne pas chez les bactéries telles que E. coli. En fait, il manque à E. coli un organite – une pièce essentielle de la machinerie qui permettrait à cette enzyme de fonctionner. Par conséquent, la reconstruction de l’ensemble de la voie est pratiquement impossible chez les bactéries. D’autres rapports ont réussi à produire de la psilocybine dans E. coli, mais ils ont dû contourner ce problème en alimentant leur souche avec un composé synthétique. Du point de vue des coûts et de l’environnement, ce n’est pas vraiment faisable. Notre étude a utilisé le sucre comme substrat de départ, ce qui est très durable,  nous pouvons ainsi obtenir un coût de production beaucoup plus faible et notre processus est presque neutre en CO2.

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J : La durabilité du processus est certainement un avantage significatif par rapport aux autres méthodes. Vous avez également affiné la voie métabolique de la levure, mais elle n’est probablement pas encore optimisée pour une production à grande échelle. Que devriez-vous améliorer exactement pour le rendre optimal pour une production à l’échelle industrielle ?

N : Le principal défi consiste à augmenter la quantité de sucre qui se transforme en psilocybine. En outre, pour atteindre une production à l’échelle commerciale suffisamment satisfaisante pour être utilisée dans le cadre d’essais cliniques sur l’homme, nous devons faire passer le processus d’un litre à des milliers de litres. Le développement de la fermentation est essentiel et, bien sûr, l’autre question que nous devons examiner est de savoir comment purifier efficacement la psilocybine à partir du bouillon de fermentation.

J : À votre avis, où en est le travail par rapport à un protocole de production disponible pour une utilisation industrielle ?

N : Ce travail, c’est ce que nous faisons chez Octarine en ce moment. Il est déjà possible de produire de petites quantités de psilocybine, mais pour produire les quantités nécessaires aux essais cliniques sur l’homme et éventuellement aux applications commerciales, il y a encore un peu de chemin à parcourir. Le plus gros obstacle reste l’approbation réglementaire, afin de disposer d’un processus de production prêt bien plus rapidement que les organismes de réglementation ne donnent l’autorisation de l’utiliser.

J : Vous avez utilisé une méthode consistant à introduire des morceaux d’ADN étrangers dans le génome de la levure. Cela a déjà été fait avec les techniques d’édition de gènes comme CRISPR dans le monde entier, et c’est un processus connu, mais il y a toujours un risque possible lorsqu’on manipule le génomes des organismes vivants, ce qui peut produire certains effets indésirables. Avez-vous observé l’un de ces effets?

N : En effet, cela peut être un gros problème. Non seulement l’expression de gènes étrangers dans des hôtes hétérologues [un organisme naturellement dépourvu du gène en question] mais aussi la production de molécules que l’organisme n’a jamais rencontrées auparavant. Dans notre cas, heureusement, nous n’avons rencontré aucun de ces problèmes. C’est une autre bonne raison d’utiliser la levure : elle tolère très bien l’expression de gènes étrangers et se comporte généralement bien lorsqu’elle est confrontée à un métabolite étranger. L’hôte naturel produit souvent ces molécules pour une très bonne raison, donc il doit y avoir une raison pour laquelle les champignons produisent de la psilocybine. Souvent, le composé produit a un effet dissuasif, ce qui signifie qu’il est une toxine pour les micro-organismes. C’est le cas, par exemple, des cannabinoïdes, avec lesquels nous travaillons également. Le cannabis produit des cannabinoïdes principalement en tant qu’antimicrobien, donc si vous essayez de les produire dans un micro-organisme, vous allez rencontrer des effets de toxicité. Heureusement, nous n’avons constaté aucun problème jusqu’à présent avec les psychédéliques sur lesquels nous travaillons.

J : Exact. Vous avez également obtenu une transformation stable des cellules, ce qui signifie que le matériel génétique étranger est intégré pour toujours.

N : Exactement ! C’est une autre excellente raison d’utiliser la levure. Il est très facile de s’intégrer directement dans le génome et de s’y intégrer de manière stable, ce qui signifie que les gènes sont là sans aucune pression de sélection ni rien qui les oblige à y rester.

J : Habituellement, les gènes de résistance aux antibiotiques sont transférés avec les gènes d’intérêt, de sorte que lorsqu’un antibiotique est introduit dans le milieu de croissance, les cellules sont continuellement forcées d’exprimer les gènes étrangers. Vous avez réussi à intégrer vos gènes d’intérêt sans aucune sélection d’antibiotiques ?

N : Oui, et c’est important pour la production à grande échelle, vous ne voulez pas avoir d’antibiotiques ou toute sorte de pression de sélection, à la fois du point de vue du coût – les antibiotiques sont chers – mais aussi du point de vue de la sécurité humaine – vous ne voulez pas d’antibiotiques dans votre mélange, et vous ne voulez pas non plus d’activation des gènes de résistance aux antibiotiques.

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J : En plus de toutes ces réalisations impressionnantes, vous avez réussi à faire une autre chose : synthétiser une nouvelle molécule qui n’existait pas dans la nature auparavant, la N-acétyl-4-hydroxytryptamine. Pouvez-vous nous parler de ce composé et nous dire si vous comptez l’étudier plus en détail à l’avenir ?

N : Nous nous sommes non seulement intéressés à la production de psilocybine mais aussi à la gamme d’autres molécules produites par les champignons Psilocybe. Nous avons été inspirés par les résultats fascinants de la recherche sur les cannabinoïdes, qui montrent que certains des cannabinoïdes mineurs ont des fonctions nouvelles ou améliorées. Par exemple, le CBD semble être très efficace pour traiter l’épilepsie mais l’un des cannabinoïdes mineurs, le CBDv, pourrait être encore meilleur. Les preuves sont de plus en plus nombreuses et suggèrent qu’il pourrait en être de même pour les champignons Psilocybe. Nous sommes donc, bien entendu, très intéressés par tous les dérivés et tous les intermédiaires que produit le champignon Psilocybe.

Au-delà de cela, l’une des choses qui nous intéresse beaucoup, notamment chez Octarine, est de savoir comment nous pouvons utiliser la machinerie biologique pour créer des molécules qui n’existent pas dans la nature. Au moins en théorie, les enzymes devraient être largement supérieures à la chimie de synthèse. Elles devraient être capables de catalyser des réactions que la chimie de synthèse ne peut pas faire, de le faire de manière beaucoup plus efficace et dans des conditions beaucoup plus favorables. L’astuce consiste à trouver comment « convaincre » une enzyme peut catalyser une réaction qu’elle n’a pas normalement. Cela fait partie de la technologie de base que nous développons chez Octarine, mais dans cet article, nous voulions simplement démontrer le potentiel des enzymes naturelles à être amenées à catalyser des réactions qu’elles ne font pas normalement. C’était un exemple avec cette molécule, la N-acétyl-4-hydroxytryptamine, qui est essentiellement moitié psilocybine et moitié mélatonine. En général, nous sommes très intéressés par l’étude des propriétés non seulement des nouvelles molécules produites dans notre plateforme, mais aussi des propriétés de certaines des tryptamines mineures produites par les champignons Psilocybe et par d’autres organismes psychédéliques.

J : La mélatonine est une hormone du sommeil présente dans le cerveau humain et la psilocybine agit sur les récepteurs de la sérotonine. Pensez-vous que ce nouveau type de tryptamine pourrait également avoir des effets psychoactifs chez l’homme ?

N : Je dirais qu’il est trop tôt pour spéculer. Ces travaux portent davantage sur une preuve de concept de production mais ce que je peux dire, c’est que de manière générale, l’idée est que nous créions de nouvelles molécules dans l’espoir de développer une meilleure version de la psilocybine ou une molécule qui a un effet thérapeutique différent. C’est le travail qui est en cours actuellement – nous essayons de comprendre ce que font ces molécules et si elles pourraient être intéressantes d’un point de vue thérapeutique.

J : On dirait qu’il y a toute une nouvelle génération de composés qui attendent d’être découverts, ce qui est très excitant ! Maintenant, imaginez que quelqu’un donne un budgetillimité à Octarine, pour n’importe quel projet de recherche. Quel serait ce projet ?

N : C’est une très bonne question et ce qui me vient à l’esprit, c’est que dans la nature, il existe des milliers et des milliers de molécules intéressantes qui ont des effets thérapeutiques intéressants, et nous exploitons ces sources naturelles depuis toujours.

J : C’est vrai dans le contexte indigène, mais dans la médecine occidentale, ils ont été relativement négligés.

N : Exactement, et je pense que cela s’explique en partie par le fait qu’il existe un écart important entre la compréhension de l’action de ces molécules et la manière dont nous pouvons les produire. Il existe de nombreux exemples de molécules dont nous savons qu’elles existent dans la nature, et nous savons même qu’elles ont des propriétés thérapeutiques remarquables, mais nous ne disposons pas encore des outils nécessaires pour les produire en quantités adaptées à une application pharmaceutique. Pendant très longtemps, nous n’avions aucune idée de la manière dont l’organisme naturel les produisait. Ce n’est qu’au cours des dernières années que nous avons réellement compris comment le cannabis produit des cannabinoïdes et comment les champignons Psilocybe produisent de la psilocybine. En revanche, pour les milliers d’autres molécules, nous n’avons guère d’idée sur la manière dont elles sont produites, et nous ne savons pas quelles enzymes et quels gènes en sont responsables. Je pense qu’il s’agit d’un goulot d’étranglement dans le développement de molécules naturelles pour des applications thérapeutiques.

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J : Quel serait exactement le premier grand pas à faire pour améliorer cette situation ?

N : À mon avis, le principal problème est la rapidité – nous disposons de méthodes pour élucider les voies de biosynthèse, mais elles sont incroyablement laborieuses et longues et prennent beaucoup de temps. Des progrès considérables ont été réalisés pour obtenir des ensembles de données de plus en plus importants sur les processus cellulaires. L’utilisation d’outils tels que l’apprentissage automatique ou l’intelligence artificielle pour éliminer les approximations dans l’interprétation de ces données pourrait constituer une amélioration significative. Nous faisons de bonnes suppositions sur ce que nous pensons qu’il se passe, mais nous passons ensuite beaucoup de temps à le tester et, bien trop souvent… nous avons tort.

J : La modélisation informatique pourrait donc certainement accélérer le processus.

N : Je pense que oui. En éliminant l’aspect humain et en améliorant nos méthodes de recherche, nous pourrions certainement améliorer nos hypothèses sur les gènes impliqués. Ce serait un pas de géant dans le domaine, je pense.

J : Je croise les doigts pour l’évolution chez Octarine. Ma dernière question porte sur ce que vous avez dit précédemment à propos de la première fois que vous avez présenté votre idée à d’autres et qu’elle a rencontré… un terrain pas très fertile. Avez-vous des conseils à donner aux chercheurs et aux étudiants sur la manière d’encourager ce type de recherche ?

N : Je pense que la stigmatisation de ces molécules diminue rapidement – du moins dans la communauté des chercheurs. À mon avis, c’est parce que nous pouvons examiner les données cliniques et qu’il est assez évident que ces molécules sont très prometteuses. Ce n’est donc pas la communauté des chercheurs qui doit s’inquiéter de la stigmatisation ; c’est la perception du public qui, à mon avis, est un problème plus important. De manière générale, si j’ai commencé à travailler dans ce domaine, c’est en partie parce que j’ai examiné les données cliniques et que j’ai été convaincu qu’il y avait quelque chose d’intéressant. Je pense toujours qu’un bon point de départ est de se plonger dans les données et de voir par soi-même le potentiel de ces molécules.

L’un des aspects les plus intéressants de ce domaine, ainsi que de celui des cannabinoïdes, est qu’il rassemble des personnes venant d’horizons totalement différents. Je n’aurais jamais pu imaginer que je travaillerais avec toutes sortes de chercheurs, et cela montre à quel point ces industries sont prometteuses et qu’elles nécessitent la collaboration de tant de personnes différentes. Dans mon cas, il s’agit de levures et de microbiologie. J’ai passé ma carrière à fabriquer des biocarburants et à essayer de réduire les émissions de combustibles fossiles, il est donc fascinant de constater à quel point des expériences différentes peuvent être pertinentes. Le domaine se développe grâce aux personnes qui appliquent les compétences qu’elles ont acquises dans un domaine et qui comprennent comment elles peuvent être appliquées à l’industrie des psychédéliques. Je pense que ce serait mon conseil – regardez les compétences que vous avez et essayez de voir comment elles peuvent être appliquées à cette nouvelle industrie, car je crois vraiment qu’il y a de nombreuses possibilités de développement dans l’écosystème.

J Merci beaucoup pour ces conseils ! Une bonne nouvelle que je pourrais partager avec vous est que l’Institut Central de Santé Mentale (ZI) de Mannheim vient d’annoncer le début d’une étude sur la psilocybine et la dépression, dirigée par le professeur Dr. Gerhard Gründer. La fondation MIND participe à cette recherche et notre partenaire clinique OVID apporte son soutien avec les thérapeutes du second centre d’étude à Berlin – et tous les deux fournissent ainsi des ressources financières supplémentaires pour l’étude. Il s’agit de la première étude de ce type susceptible d’être financée par des fonds gouvernementaux allemands.

N : Je pense que, dans le monde, la dynamique se met en place très rapidement et j’ai lu des articles à ce propos l’autre jour. C’est un grand moment, puisque des fonds publics sont utilisés pour la recherche sur les psychédéliques. Ce qui était vraiment encourageant pour nous, c’est que l’un de nos investisseurs est le gouvernement danois.

J : C’est formidable !

N : Le gouvernement danois dispose d’un fonds de capital-risque et il est l’un de nos principaux investisseurs. Pour nous, c’est un signe extrêmement positif pour l’industrie pour ce qui est de surmonter la stigmatisation – le fait que les institutions publiques et même les gouvernements soutiennent ce type de recherche. Même la FDA a beaucoup de choses positives à dire sur les psychédéliques et ils sont très pragmatiques à ce sujet donc, en effet, les temps changent et je n’ai aucun doute que dans cinq ans, ce ne sera plus un problème et il deviendra clair que les psychédéliques peuvent être utilisés pour un bénéfice thérapeutique.

J : Dès que l’industrie pharmaceutique reconnaîtra les avantages ?

N : C’est essentiellement ce que nous avons constaté avec les cannabinoïdes.

J : C’est vrai, l’utilisation thérapeutique des cannabinoïdes s’est imposée si rapidement !

N : Il s’agit essentiellement d’un courant dominant maintenant, non ? La majorité des gens sont d’accord pour dire que le cannabis est thérapeutique et qu’il s’agit d’un médicament pharmaceutique maintenant, alors en voyant comment cela a changé en si peu de temps, je pense vraiment que les psychédéliques suivront de près.

J : Cela me rend optimiste aussi, alors je croise les doigts pour cela et je vous remercie beaucoup pour la discussion !

N : Merci, j’ai apprécié ce moment.

Disclaimer : la traduction de cet article a été rédigée et révisée par des bénévoles. Les contributeurs ne représentent pas la MIND Foundation. Si vous trouvez des erreurs ou des incohérences, ou si quelque chose dans la traduction ne semble pas clair, veuillez nous en informer – nous vous remercions pour toute amélioration. Si vous souhaitez aider avec vos compétences linguistiques, vous pouvez également utiliser le lien et rejoindre les traducteurs du blog!