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Microbial transformation of taxanes and steroids.

Sun, Di-An (2003). Microbial transformation of taxanes and steroids. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut National de la Recherche Scientifique, Doctorat en biologie, 167 p.

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Résumé

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Le Paclitaxel, (Taxol®). qui a été découvert en 1971 et approuvé par la FDA pour la mise en marché en décembre 1992, est devenu !"un des médicaments anti­ cancéreux disponible le plus utilisé ct ayant le plus de succès. Contrairement aux autres agents anti-tumoraux qui agissent en prévenant la pol y mérisation de la tubulinc en microtubulcs. le Paclitaxel empêche la division cellulaire en promouvant !"assemblage de la tubulinc ct en stabilisant le complexe. Le Paclitaxel a eu beaucoup de succès comme traitement contre le cancer du sein et des ovaires. Ce médicament est également prometteur comme traitement contre une variété d'autres tumeurs solides telles que des tumeurs au cerveau, au cou. aux poumons, aux voies gastro-intestinales ct à la vessie. Des nouveaux taxanes sont hautement désirables. Les champignons filamenteux sont reconnus pour avmr la capacité d 'hydrolyser une grande variété de composés organiques d'une façon régio- et stéréo-sélective. Il y a des avantages à la transformation microbienne. On pourrait avoir des réactions rares qui pourraient donner des nouveaux produits, difficiles à obtenir par synthèses chimiques. Par contre, il y a aussi des désavantages à cette transformation. Généralement on ne peut pas prédire les résultats et le rendement normalement est très bas. Le but de ce projet est d'utiliser cette caractéristique enzymatique des champignons filamenteux afin de modifier les taxanes et ainsi obtenir de nouveaux taxanes. Pendant notre recherche, nous avons trouvé que quelques champignons utilisés pouvaient hydroxyler des taxanes. Nous voulions aussi essayer de les utiliser pour transformer d'autres composés organiques, tels que l'androst-4-ene- 3,17-dione. Ce composé est disponible commercialement et est aussi un produit de départ pour la synthèse commerciale de la testostérone et d'autres nouveaux stéroïdes. Notre but est d'hydroxyler l'androst-4-ène-3,17-dione à différents positions pour fournir des intermédiaires qui pourraient stimuler la découverte de nouveaux médicaments. La transformation microbienne de taxanes (le chapitre 2-6) et de stéroïdes (le chapitre 7) est présentée dans cette thèse. Vingt-sept taxanes naturels ou modifiés chimiquement ont été incubés avec 16 espèces de champignons tilamenteux. (chapitre 6. Figure 6.1 et Figure 6.2). Six d•entre eux ont été métabolisés (4, 50, 52, 56, 57, and 61). Leurs produits ont été purifiés à raide de plusieurs méthodes de chromatographie et leurs structures ont été déterminées par Resonance Magnétique Nucléaive (RMN) et par spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS). Le composé 4 (9-dihydro-13-acetylbaccatin III) (substrat # 1 au chapitre 5) peut être métabolisé par Absidia coerulea ATCC 1 0738a pour donner 4 produits (Figure 6.3). En plus des produits de déacétylation 71 et 72, les produits 73 et 74 sont des abéo-taxanes. Les abéo-taxanes provenant du substrat avec )-groupement hydroxylé par transformation microbienne ont été découverts pour la première fois dans cette thèse. Le composé 50 (2-déacetoxyltaxinine J) (substrat #2 au chapitre 4) peut être transformé par le champignon Absidia coerulea ATCC 10738a pour donner 4 produits, 75 à 78 (Figure 6.4). Le composé 52 (Sa, 7p, 9a, IOp, 13a-pentahydroxy-4(20),11(12)-taxadiene) (substrat #1 au chapitre 3) a été converti en un dérivé de taxane, 79 (32.4%) avec un CIO-Cil double liaison et deux 1(15 11) abeo-taxanes, 80 (42.3%) et 81 (3.7%) par le champignon Absidia coerulea ATCC 10738a. Contrairement aux 11(15 11) abéo-taxanes plus communs, les produits 80 et 81 ont un squelette de 1 (1511) abéo-taxane non décrit dans la littérature. Ce squelette n'a jamais été trouvé dans la nature ou par modification chimique des taxanes. Le composé 56 (substrat#1 au chapitre 4) fut auparavant utilisé pour l'étude de la transformation microbienne. Le champignon Ahsidia coerulea ATCC 1 0738a ainsi que le milieu utilisé pour ce projet sont quelque peu diftërents. Les produits majeurs pour rhydroxylation en C1, C-14 ct des abéo-taxanes (82, 84 et 90 respectivement) sont identiques. Les produits secondaires par contre sont difJërents. Il y a six produits de déacétylation (83, 85, 86, 87, 91,92 ct 93) qui n'ont jamais été isolés auparavant. Le produit 88 est un produit secondaire ayant été isolé et possédant un groupe OCOHzCOCI-13 à la position C-5. Cc genre de modification n'a jamais été identifié chez les taxanes naturels. Le produit 89 possédant une hydroxylation à la position C-16 est rarement observé dans les taxanes naturels. Deux autres taxancs, 94 et 95, ont un système annulaire 6-7-6. Cette modification est identifiée pour la première fois chez les taxancs naturels et également chez les taxanes modifiés chimiquement. Cependant, leur rendement est très faible. Le composé 57 (substrat #1 au chapitre 2) peut être métabolisé par Cunninghamella elegans AS3.2033 pour donner 5 nouveaux taxanes (Figure 6.7). Le produit 96 résultant d'une hydroxylation en C-1 a le plus haut rendement soit de 43.0%, tandis que le produit 97 résultant d'une hydroxylation en C-1, a un isomère cis sur la chaîne secondaire cinnamoyl du produit 96 ainsi qu'un rendement de 1.6%. L'abéo-taxane 101 a un rendement de 16.0%. Les produits 98 et 99 résultants d'une hydroxylation en C-14 sont des trans-cis isomères sur la chaîne secondaire cinnamoyl et ont un rendement de 1.0% chacun. Le composé 57 peut également être métabolisé par Cunninghamella elegans var chibaensis ATCC 20230 pour donner 3 taxanes. En plus du produit 96 d'hydroxylation C-1 (20.2%) et de l'abéotaxane 101 (6.8%), il y a le produit 100 d'hydroxylation C-17 (5.4%) qui est très rare chez les taxanes naturels. Le Composé 61 (substrat #2 au chapitre 5) peut être métabolisé par le champignon Cunninghamella echinulata AS 3.1990 pour donner six produits 102- 107 (Figure 6.8). Les produits 102, 103 et 104 ont échangé leur groupe benzoyle avec le groupe acétyle à la position 2 et la position 9 comparé au matériel de départ. Les produits 105-107, avec le groupe de 2 Bz aussi déplacé à la position 9. a un anneau oxétane ouvert ct un nouvel anneau de cinq membres formé avec -C2-C3- C4-C20-0-. Tout ces trois abéo-taxanes ont un -OAc à C-15 très rares dans les taxanes naturels. La relation entre la structure du taxane et la réactivité du champignon décrite ci-dessous est également représentée dans le chapitre 6 de cette thèse. 1. le groupe 2-0R peut bloquer l"hydroxylation de C-1 et C-14. 2. le groupe 5-0H a un impact négatif sur l'hydroxylation de C-1 et C-14. 3. en enlevant les trois groupes acetyle en position 7,9,10, il est possible d'augmenter le rendement de l'hydroxylation en C-1 et à la fois diminuer le rendement de l'hydroxylation en C-14. 4. 1-0H et 14-0H peuvent se bloquer eux-mêmes. 5. 13-cétone n'est pas éssentiel pour la transformation microbienne. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que la transformation microbienne peut être un moyen unique afin d'obtenir de nouveaux taxanes qui peuvent être utilisés pour développer de nouveaux médicaments. La relation entre la structure du taxane et la réactivité du champignon démontrée dans cette thèse aidera à choisir ou à modifier des substrats afin d'obtenir les produits désirés pour des recherches plus poussées dans ce domaine. Puisque nous avons utilisé les taxanes comme les substrats de la transformation microbienne et nous avons découvert que quelques champignons peuvent modifier les taxanes, nous pensions que le stéroïde androst-4-ène-3,17- dione (108) qui un produit de départ pour la synthèse commerciale de la testostérone et d'autres nouveaux stéroïdes, est un substrat parfait pour la transformation microbienne grâce à son faible taux de substitution par des functions hydroxyles d'oxygénation. En effet, le stéroïde androst-4-ène-3, 17-dione (108) avec la purité de 99.9% a été transformé par Absidia coerulea ATCC 10738a et Rhizopus coe1yzae Went et ATCC 11145 en seize métabolites (109-124) (Figure 7.1). La v biotransformation de 1 'androst-4-ène-3,17-dione (108) par Absidia coerulea ATCC 10738a a donné 14 dérivés, (109-112, 114-123). La biotransformation de I'androst- 4-ène-3,17-dione (108) par Rhizopus coeryzae Wcnt et ATCC 11145 a donné 7 dérivés, 110-113, 122-124. Ces sept dérivés, tels ques la 7a-hydroxyandro-4-ène-3,17-dione (l 09). la 11 a-hydroxyandro-4-ène-3,17-dione (Ill), la 6 -hydroxyandro-4-ène-3.17-dione (112), la 14a-hydroxyandro-4-ènc-3,17-dione (114), la 6 -hydroxytestostérone (115), la 7a-hydroxytestostérone (116), et la 6, 11 a-dihydroxyandrost-4-ène-3.17- dione (122) ont été trouvés dans la transformation microbienne de l'androst-4-ène- 3,17-dione en utilisant différents types de microorganismes auparavant. Ces sept composés étaient les premiers trouvés dans la biotransformation de l'androst-4-ène- 3,17-dione (108) par Absidia coerulea ATCC 1 0738a. Le composé 122 a été aussi trouvé pour la première fois dans la transformation microbienne de l'androst-4-ène- 3,17-dione (108) en utilisant Rhizopus 01yzae Went et ATCC 11145. Neuf des métabolites, tels ques la 7 -hydroxyandrost-4-ène-3,17-dione (110), la 16 -hydroxyandrost-4-ène-3,17-dione (113), la 2a,7a-dihydroandrost-4- ène-3,17-dione (117), la 6 ,12-dihydroandrost-4-ène-3,17-dione (118), la 1 ,6 ­ dihydroandrost-4-ène-3,17-dione(119), la Il a,16 -dihydroandrost-4-ène-3,17-dione (120), la 14a,l6a-dihydroandrost-4-ène-3,17-dione (121), la 6 ,16 ­ dihydroandrost-4-ène-3,17-dione (123), la 6,7a-dihydroandrost-4-ène-3,17-dione (124) étaient les premiers trouvés dans la transformation microbienne de l'androst-4- ène-3,17-dione. La structure de ces produits a été déterminée par les données de RMN et de HR FAB MS. Nos résultats ont démontré que les nouveaux champignons et les nouveaux metabolites pouvaient toujours être trouvés dans la transformation microbienne de stéroïdes. Ces nouveaux métabolites qui sont difficiles à obtenir par la modification chimique peuvent fournir la nouvelle route vers la découverte de nouveaux médicaments.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Zamir, Lolita
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: taxane ; steroide ; champignon ; metabolite ; transformation ; microbienne
Centre: Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt: 15 mai 2014 18:28
Dernière modification: 18 déc. 2015 19:55
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2241

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