Exploration of the chemical diversity of Apocynaceae plants using molecular networking : From the creation of a spectral database to in silico annotations
Exploration de la diversité chimique des Apocynaceae par la technique des réseaux moléculaires : de la création d’une base de données vers l’annotation in silico
Résumé
Monoterpene indole alkaloids (MIAs) constitute a class of natural products that has been extensively studied due to its important pharmacological and therapeutic potentials, and to its large structural diversity. Dereplication techniques based on liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry have recently evolved, with the implementation of molecular networking-based approaches.In this context, we have created a spectral database that encompasses the averaged tandem mass spectra of 172 reference MIAs, in collaboration with several pharmacognosy research teams around the world. This database, named MIADB (standing for Monoterpene Indole Alkaloids DataBase), was made publicly available and can be used as a reference in the application of molecular networking as a dereplication strategy. Thereafter, we used the MIADB to carry out the phytochemical investigation of two Apocynaceae species: Geissospermum laeve (Vell.) Miers and Alstonia balansae Guillaumin. As a first application, the MIADB-based annotation of an alkaloid extract of the barks of G. laeve led to the isolation and the structural elucidation of three new MIAs, two having a butyrolactone moiety. Afterwards, this approach was improved by the application of a new tool for in silico annotation called MetWork, which is based on metabolic prediction and on the generation of predicted tandem mass spectra. Following this approach, the exploration of the chemical space of an alkaloid extract of the leaves of A. balansae allowed the anticipation and further isolation of five novel MIAs of the N-oxide-sarpagine type. The stereochemistry of all the new molecules could be determined on the basis of experimental and predicted electronic circular dichroism spectra.In the introduction of this manuscript the multiple uses of molecular networking for the identification of small natural molecules are described, as well as the biosynthetic interconnections in the MIAs group. The creation and evolution of the MIADB are then presented, followed by its utilization in efficient dereplication workflows for the targeting of new natural products within complex mixtures from Apocynaceae species.
Les alcaloïdes indolo-monoterpéniques (AIMs) constituent une classe de molécules naturelles très étudiée en raison d’un fort potentiel pharmacologique et thérapeutique et d’une grande diversité structurale. D’autre part, les techniques de déréplication par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse tandem ont évolué récemment, avec l’émergence de l’approche par réseaux moléculaires (molecular networking). Dans ce contexte, nous avons créé une base de données de spectres de masse tandem moyennés de 172 AIMs témoins, en collaboration avec plusieurs équipes de pharmacognosie dans le monde. Cette base de données, nommée MIADB (Monoterpene Indole Alkaloids DataBase), rendue publique, peut être utilisée comme référence dans des stratégies de déréplication fondées sur l’utilisation des réseaux moléculaires. Nous avons ensuite exploité la MIADB pour l’étude phytochimique de deux Apocynaceae : Geissospermum laeve (Vell.) Miers et Alstonia balansae Guillaumin. Dans un premier temps, l’annotation par la MIADB d’un extrait alcaloïdique des écorces de G. laeve a permis l’isolement et l’élucidation structurale de 3 nouveaux AIMs, dont deux à motif butyrolactone. Par la suite, notre approche a été améliorée par l’emploi du nouvel outil d’annotation in silico MetWork, fondé sur une prédiction métabolique et la modélisation de spectres de masse tandem. C’est ainsi que l’exploration de l’espace chimique d’un extrait alcaloïdique des feuilles d’A. balansae a permis l’identification, puis l’isolement, de 5 nouveaux AIMs du type N-oxyde-sarpagane. La stéréochimie des nouveaux composés a pu être déterminée par l’exploitation de spectres prédits et expérimentaux de dichroïsme circulaire éléctronique.Ce manuscrit décrit, après une introduction consacrée notamment aux emplois du molecular networking pour le ciblage et la découverte de petites molécules naturelles puis aux interconnections biosynthétiques en série AIM, la création puis l’évolution de la MIADB, puis son utilisation dans un workflow de déréplication efficace et de ciblage de nouveaux composés dans des mélanges complexes issus d’Apocynaceae.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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