Alan Battersby

Les alcaloïdes sont des molécules chimiques basiques naturelles formées de radicaux azotiques. Leurs propriétés pharmacologiques multiples en ont fait un champ de recherche extrêmement fertile pour les biochimistes. Jusque dans les années 1950, l’expérimentation, exploitant fréquemment la décomposition chimique et la synthèse partielle ou complète de structures possibles, était indispensable pour déterminer leur formule chimique qu'il était souvent difficile de décrire complètement, à cause des aspects stéréochimiques[5]. C'était le cas, par exemple, pour l'émétine, utilisée dans le traitement des amœboses, sujet de la thèse de doctorat d'Alan Battersby[6]. Comme il l'indiqua par la suite[7] : « Il fallait faire réagir à peu près 100 g d'émétine pour cela ; avec nos outils modernes , il ne faudrait que trois jours et moins de 10 mg de réactifs (d'ailleurs réutilisables) pour déterminer la structure de l’émétine : 365 fois plus vite avec 10 000 fois moins de réactifs... » Ces outils, aujourd'hui familiers, ce sont la spectrométrie de masse, la résonance magnétique nucléaire multi-atomique et la cristallographie aux rayons X : dès leur application aux alcaloïdes, ils ont permis de répartir les alcaloïdes par familles ; ce qui signifie que cela a permis de déterminer par quels mécanismes ces molécules sont synthétisées dans les bactéries, moisissures, plantes et animaux où on les trouve. En 1937, Sonderhoff et Thomas ont montré comment utiliser de l’acétate marquée au deutérium pour étudier la synthèse organique des graisses et des stéroïdes[8] ; dès 1950, on incorporait au cholestérol de l'acétate marquée au ¹³C et ¹⁴C[9]. Alan Battersby eut l'idée de recourir à ces techniques pour étudier la biosynthèse des alcaloïdes : l’initiative venait à point nommé, car on commençait justement à commercialiser les précurseurs monocarbonés simples. En marquant au tritium ou, de façon plus spécifique, au ¹⁴C ses réactifs pour comprendre la formation des produits intermédiaires, il établit la séquence suivant laquelle les multiples alcaloïdes présents dans un même organisme se forment : par exemple, il démontra que la synthèse organique de la morphine procédait de la L-tyrosine via la réticuline, la salutaridine, la thébaïne, la codéinone et la codéine[10]^,[11]. L'équipe de Battersby a étudié plusieurs autres alcaloïdes, par exemple la colchicine (qui doit son nom au crocus automnal Colchicum autumnale) utilisée pour traiter la goutte. Il a montré qu'elle était composée d'acides aminés, la phénylalanine et tyrosine via l'(S)-autumnaline[12]. De même, la synthèse organique de l’alcaloïde indole de l’ajmalicine, de la corynanthine, de la catharanthine et de la vindoline fait intervenir comme précurseurs la tryptamine et la loganine[13]. À la surprise d'Alan Battersby, il fallut conclure que la quinine, principal médicament prophylactique contre la malaria, dérivait de la corynanthine, bien qu'elle n'en intègre pas la sous-structure indole[7].

Conférence d'Alan Battersby sur la biosynthèse de la porphyrine.

Mais Alan Battersby est principalement connu pour ses recherches sur la synthèse organique des pigments du vivant apparentés aux structures à noyau tétrapyrrole. Son équipe a mis en évidence, en particulier, le rôle essentiel joué par deux enzymes, la déaminase et la cosynthétase, dans la transformation d'acide δ-aminolévulinique en Uroporphyrinogène III, via le porphobilinogène et l'hydroxyméthylbilane. L’hydroxyméthylbilane est apparu comme le premier intermédiaire macrocyclique de la biosynthèse des hèmes, de la chlorophylle, de la vitamine B12 et des sirohèmes. Il a fallu pour cela recourir au traçage radioactif par deutérium, tritium, ¹³C et ¹⁴C de précurseurs potentiels obtenus par synthèse organique ou enzymatique. La stratégie la plus payante a consisté à incorporer l'isotope stable ¹³C à des substrats potentiels, avec l'idée d'analyser l'évolution des réactions biochimiques (celle donnant, par exemple, l'uroporphyrinogène III) par RMN ¹³C haute-fréquence. L'emploi de porphobilinogène doublement tracé par isotopes ¹³C a notamment mis en évidence l'étape de réarrangement qui avait échappée à tous ceux qui cherchaient le détail des réactions de synthèse organique de l'uroporphyrinogène III[14]^,[15]. Fort de ces résultats, Alan Battersby émit l'hypothèse que de la spiro-pyrrolénine intermédiaire se formait sur le site actif de la cosynthétase : pour le prouver, son équipe réalisa la synthèse d'un spiro-lactame voisin, et montra qu'en effet il inhibait l'enzyme[16].

Alan Battersby dans son bureau du Département de Chimie à l'Université de Cambridge.

Les progrès ultérieurs menant à l'élucidation de la structure de la vitamine B12, tout particulièrement l'incorporation de radicaux méthyl supplémentaires à sa structure, reposaient sur le traçage des radicaux méthyl de S-Adénosylméthionine ; mais il faudra attendre l' hybridation génétique de Pseudomonas denitrificans, et la mise en évidence de huit des gènes impliqués dans la biosynthese de la vitamine, pour que la séquence complète de méthylation et d'autres phases soit comprise, avec l'identification de tous les réactifs intermédiaires[7]^,[17]^,[18]^,[19].

Compendium de laboratoire d'un étudiant en thèse de Battersby (1976) : laboratoire 122 du Département de Chimie de l'université de Cambridge.

Les travaux de l'équipe de Battersby sur la synthèse organique de molécules naturelles apparentées aux hèmes stimulèrent les techniques de synthèse organique. C'est ainsi qu'ils parvinrent à synthétiser l'hème a, l'hème d1 et la sirohydrochlorine[4]. Pour étudier la fonction des enzymes contenant des ligands apparentés à la porphyrine, ou (dans le cas de l'hémoglobine) utilisant des hèmes pour le transport d'oxygène, ils synthétisèrent une présentant ces propriétés, mais débarrassée de la protéine qui, dans la nature, masque le site actif.

Alan Battersby rechercha des molécules plus efficaces que la myoglobine et le cytochrome P450, en synthétisant des molécules-cibles à partir d'un unique complexe métalloïde. Ces cible étaient des porphyrines artificielles, dotées de radicaux de substitution agencés de façon à ne pas masquer les propriétés électronique du complexe métallique. L'année de sa retraite (1992), cette branche de la chimie devenait très active[20]^,[21].

Les travaux décrits précédemment ne sont qu'une partie d'un champ de recherche plus vaste : les mécanismes stéréochimiques des catalyses enzymatiques. L'équipe de Battersby a mis en œuvre des substrats dopés au tritium pour identifier diverses familles d'enzymes, par exemple l'histidine décarboxylase et la tyrosine décarboxylase[11].