Metabolomics approaches to investigate bioactive substances from "Duboisia" species

Les troubles cognitifs et maladies neurologiques augmentent suivant l’augmentation du vieillissement de la population mondiale. Malgré des essais afin de réduire l’impact sur la vie ainsi que la progression de la maladie, il n’existe à ce jour aucun traitement disponible. Des recherches poussées sont menées pour tenter de trouver des médicaments afin de proposer des solutions et remédier à ce problème endémique. L’ethnobotanique peut fournir une première réponse par l’étude des produits naturels utilisés depuis des années et leurs effets sur la santé humaine. Alors que les produits naturels ont déjà été investigué à large échelle durant les siècles passés, la chimie combinatoire les a relégués hors d’intérêt pour la recherche.
Cependant, avec un meilleur accès aux données, l’amélioration des technologies et l’émergence d’outils informatiques extrêmement performants, il y a un regain d’intérêt pour les produits naturels au cours de la dernière décennie d’autant plus que le métabolome des plantes n’est de loin pas complètement caractérisé. A titre d’exemple, le genre Duboisia appartenant à la famille des Solanaceae, est utilisé depuis des années par les aborigènes utilisant l’espèce D. hopwoodii qu’ils consomment sous la forme de pituri pour ses propriétés stimulantes. L’industrie pharmaceutique a étudié ces plantes et commercialisé certaines de ces substances telles que l’atropine ou la scopolamine pour leurs actions anticholinergiques et anti spasmolytiques respectivement. Néanmoins, la composition chimique de ce genre reste méconnue.
Nous avons décidé d’appliquer des approches métabolomiques utilisant le principe de comparaison par similarité de structure pour identifier et caractériser de potentielles nouvelles substances bioactives.
Dans un premier temps nous avons développé un processus d’extraction et d’analyse utilisant du matériel sec et se focalisé sur des composés connus tels que les alcaloïdes tropaniques déjà caractérisés puis par extension à un espace chimique plus large.
Parallèlement, nous avons cultivé nos propres plantes et appliqué nôtre processus que nous avons développé combinant l’extraction par fluide supercritique avec une analyse comparative non ciblée de structure de base pour analyser notre matière végétale. Le procédé a permis de caractériser de nouvelles molécules et leur structure grâce à la coinjection de composes standards. Il est intéressant de noter que nous avons pu établir un lien entre la similarité de structure d’alcaloïdes tropaniques et granatanes avec une activité sur les récepteurs muscariniques de l’acétylcholine. Différents dérivés N-cinnamoyl-polyamines ont
également été mis en évidence à partir de fleurs fraiches par l’utilisation d’un système d’extraction au CO2 supercritique portable. Cela a permis la caractérisation et l’identification d’un nouveau composé appartenant à cette famille chimique.
Enfin, nous avons établi une approche biotechnologique lié à l’utilisation d’une bactérie pour étudier la production de métabolites secondaires à l’aide d’un système racinaire chevelu. Une expérience cinétique a été réalisé afin de caractériser chimiquement la réponse au stress de la plante et identifier de nouvelles substances analogues.

ABSTRACT
Cognitive impairment and neurological diseases are increasing following the worldwide aging of the population. There is no treatment available nowadays to mitigate impact on life and disease progression. Tremendous investigations are conducted trying to find medicine enabling potential new discoveries to remedy this endemic issue. Ethnobotany can provide lead structures by studying the outcome of natural products used for a long time and their effect on human lives. While natural products were screened at large scale over the last century, combinatory chemistry placed them off side of research interest. However, with better access to data, improvement of technology and emerging of extremely powerful informatic tools, natural products regained attraction over the past decade, especially because plant metabolomes are, by far, not fully characterized. As an example, the Duboisia genus belonging to the Solanaceae family, has been used for centuries by Australian aborigines with D. hopwoodii being consumed as “pituri” for its stimulant properties. The pharmacy industry investigated these plants and commercialized some of the constituents such as atropine and scopolamine for their anti-cholinergic and anti-spasmolytic action. Nevertheless, the chemical space of this genus remains still unknown.
We applied metabolomics approaches using structure similarity comparison to identify and characterize potentially new bioactive substances. We first developed an extraction and analytical workflow using dried leaf material and focusing on known compounds such as the already characterized tropane alkaloids and further extend our investigation to a wider chemical space. In parallel, we cultivated our own plants and applied our developed workflow combining supercritical fluid extraction with scaffold based comparative untargeted analysis to analyze the generated plant material.
The process enabled us to characterize new natural products, and their structure assignments could be confirmed through co-injection with synthetic standards. Interestingly we could establish a link between the base structure similarity of tropane and granatane alkaloids and their antagonistic activity on acetylcholine muscarinic receptors. Furthermore, various Ncinnamoyl-polyamine derivatives were also obtained from fresh flowers using a portable scCO2 extraction device. This enabled the identification and characterization of a new compound belonging to this family.
Finally, a bioengineering system was established to investigate secondary metabolites production using a hairy roots model. A kinetic experiment was performed to chemically characterize the stress response of the plant and identify new analogue substances.

Members of the jury:
Prof. Dr. Stephan H. von Reuss, thesis director, University of Neuchâtel, Switzerland
Dr Nikolai Ivanov, thesis co-director, University of Neuchâtel, Switzerland
Dr Gaetan Glauser, examiner, University of Neuchâtel, Switzerland
Prof. Dr. Laurent Bigler, examiner, University of Zurich, Switzerland

Defended at Neuchâtel, on September 5th, 2025

No de thèse : 3217