Qu’est-ce qu’une voie métabolique ?

Une voie métabolique est un réseau de réactions biochimiques orchestrées dans la cellule. Arbitrairement, nous pouvons séparer en deux types de voies métaboliques : 

• les voies métaboliques primaires : elles participent à la survie de la plante (croissance, respiration, reproduction). 
• les voies métaboliques secondaires : elles produisent des molécules souvent spécifiques à une espèce végétale pour se défendre et se protéger de conditions extérieures.

Les plantes sont en effet soumises à plusieurs stress et ont développé des mécanismes pour se défendre. Réactions face à des facteurs abiotiques - liés à l’environnement comme le climat, l’eau, la lumière - ou biotiques - liés à des organismes vivants comme des pathogènes, des ravageurs etc.

Les métabolites ainsi produits, initialement destinés à la protection de la plante, présentent des bénéfices pour l’homme : propriétés anti-oxydantes, anti-inflammatoires, antimicrobiennes…

Les métabolites secondaires se décomposent en 3 grandes familles 

• les terpènes : volatils ou non, souvent odorants (menthol, limonène…). Leur rôle : attirer les pollinisateurs, repousser les herbivores, protéger des rayons UV.
• les composés phénoliques et leurs dérivés : flavonoïdes, tanins, acides phénoliques. Leur rôle : antioxydants, pigments, défense contre les pathogènes.
• et les composés azotés ou alcaloïdes : caféine, nicotine, morphine. Leur rôle : toxiques pour les herbivores, parfois neuroactifs.

A noter que d’autres classifications peuvent aussi mentionner des groupes supplémentaires. Toutefois, les trois classes cités précédemment (terpènes, composés phénoliques, alcaloïdes) couvrent la grande majorité des métabolites secondaires végétaux connus.

Autant de familles de composés bioactifs recherchés par les industries cosmétiques, nutraceutiques ou pharmaceutiques pour leurs bénéfices sur les êtres humains.

Pourquoi Orius s’y intéresse et quel apport pour nos clients ?

Depuis des millénaires, les hommes s'intéressent aux propriétés des plantes et les utilisent pour se nourrir, se soigner, améliorer leur bien-être. 

Toutefois les actifs issus des plantes ont pu être remplacés par des actifs chimiques : plus stables, plus adaptés à des contraintes industrielles. Les plantes peuvent être fragiles, leur approvisionnement peut connaître des ruptures pour cause de mauvaises récoltes ou d’intempéries. Mais aussi d’un lot à l’autre, d’une récolte à une autre, elles ont une variabilité chimique importante.

En effet, la synthèse de métabolites et donc le profil chimique varie fortement en fonction des stress que la plante a pu rencontrer : sécheresses, fortes précipitations, ensoleillement, accès à la nutrition…

Dans cette étude du CIRAD, on observe une grande variabilité de concentration de triterpenoïdes selon la saison et l’année de Centella asiatica, même si les récoltes ont lieu dans la même zone géographique.

La force d’Orius réside dans l’utilisation de l’indoor farming comme plateforme de recherche. Elle permet d’isoler chaque facteur environnemental et de comprendre ceux qui modulent la phytochimie de la plante.

En maîtrisant les voies métaboliques, il devient possible de :

• Booster la production d’un métabolite d’intérêt, et donc d’obtenir une plante plus concentrée, plus efficace, diminuer les doses nécessaires pour une efficacité équivalente
• Diriger la plante vers la synthèse de composés rares, par exemple des composés que l’espèce a produit à un moment de son évolution et qu’elle ne produit plus aujourd’hui car son environnement ne le nécessite plus.
• Inhiber la production d’un agent indésirable (toxique, photosensibilisant, allergisant etc). Dans la plante il y a en effet des molécules qui nous intéressent fortement mais aussi d’autres qui sont gênantes en formulation et qui nécessitent de purifier la plante via des techniques plus ou moins chimiques, plus ou moins énergivores. En produisant des plantes avec cette molécule qui ne s’exprime pas, nous ouvrons la voie à  des techniques d’extraction des actifs plus vertes.

Optimiser la phytochimie de la plante c’est proposer des ingrédients uniques, hautement efficaces, scientifiquement caractérisés et qui permettent des techniques d’extraction éco-responsables.

Interview — Pierre-François Pluchon, Responsable R&D chez Orius

Pourquoi Orius étudie les voies métaboliques des plantes ?

Notre objectif est d’exploiter les capacités naturelles que les plantes ont développées au fil de leur évolution pour survivre et prospérer. En comprenant leur métabolisme, nous pouvons influencer la production de molécules actives afin qu’elles soient synthétisées de manière stable, durable et en plus grande quantité.

Il n’existe pas de formule magique et ce n’est pas simple et linéaire. Chaque ajustement peut avoir des effets multiples. Une même voie métabolique peut produire plusieurs composés, certains très intéressants pour nous, mais aussi d’autres moins désirables, comme des molécules photosensibles, toxiques. Un paramètre peut déclencher la synthèse d’un composé d'intérêt mais aussi impacter la santé de la plante et son rendement. Une lumière intense par exemple peut augmenter certains composés, mais nuire à la santé globale de la plante et ne pas être viable sur le long terme.

Les plantes vont aussi réagir si plusieurs stimuli vont opérer simultanément. Quand on regarde des phénomènes comme la floraison au printemps ou la dormance en hiver, ils sont régulièrement déclenchés par deux facteurs,  la lumière et la température. C’est la même chose pour la production de molécules actives, elle est souvent régulée par plusieurs facteurs environnementaux. Il faut donc les identifier et trouver la meilleure combinaison en termes d’intensité ou de durée par exemple.

Et puis, les effets ne sont pas toujours immédiats : certaines réponses impliquent des retards ou des boucles de rétroaction. Ce qui ajoute encore de la complexité dans l’identification du (ou des) facteurs déclencheurs clés.

Comment identifiez-vous les voies les plus prometteuses ?

Nous allons d’abord étudier la littérature, les publications faites sur une molécule, une plante, un groupe de plantes qui peut nous donner une première analyse des facteurs clés. Nous avons également une base de données assez conséquente d’expériences passées qui nous donne des pistes d’analyse. 

Et puis nous mettons en place des plans d’expérimentation pour tester nos hypothèses dans des modèles réels. Quel est l’impact de la lumière? Celui de la nutrition? Est-ce qu’une nuit plus courte favorise l’accumulation de métabolites? etc… Tout ce groupe d’hypothèses va être spécifique à une plante et à une molécule ciblée.

Mais comme détaillé précédemment, les réponses des plantes à l'environnement sont complexes. Pour nous aider à gérer cette complexité, nous avons développé des modèles prédictifs utilisant l’IA pour rationaliser et optimiser nos expérimentations.

Concrètement, nous établissons une cartographie, avec une série d’expériences qui sont des points clés à tester dans ce modèle. Nos outils vont ensuite analyser les résultats, et nous prédire les scénarios les plus prometteurs. Ces scénarios vont être testés en conditions réelles et les données reçues vont alimenter notre modèle et ainsi affiner notre compréhension de la plante et de ses mécanismes.

Les résultats nous permettent de déterminer les conditions les plus favorables.

C’est pourquoi avoir développé nos propres systèmes de culture, lumière, nutrition est clé dans notre approche. Cela nous permet d’être à la fois très précis, mais surtout polyvalent et d’avoir la capacité de nous adapter aux besoins spécifiques de chaque plante et de chaque expérimentation. Lorsque nos recherches nécessitent des systèmes de culture complexes, nos ingénieurs trouvent comment les appliquer efficacement dans nos installations.

Conclusion

Explorer et exploiter les voies métaboliques végétales, c’est libérer le potentiel des plantes, pouvoir comprendre la plante et trouver des solutions pour l’adapter aux problématiques de nos clients et in fine proposer des ingrédients botaniques exceptionnels. Chez Orius, cette démarche s’inscrit dans une logique de traçabilité, de naturalité et de durabilité.

Une science de pointe au service d’une innovation durable et responsable.

Bibliographie 

(1) Jean Marc Sanchez. k.center. Le stress des plantes. Le stress des plantes.

(2) Rahajanirina, V. et al. The Influence of Certain Taxonomic and Environmental Parameters on Biomass Production and Triterpenoid Content in the Leaves of Centella asiatica (L.) Urb. from Madagascar. Chem. Biodivers. 9, 298,308 (2012)