Conception, caractérisation, études DFT et docking moléculaire de nouveaux hybrides benzofurane–pyrazol‑acrylamide en tant qu’agents insecticides contre Spodoptera littoralis et Tribolium castaneum

Nouvelles armes pour protéger les cultures alimentaires

Les agriculteurs du monde entier mènent une lutte permanente contre des insectes qui dévorent les feuilles au champ et les céréales en stock. Deux coupables particulièrement dommageables sont la noctuelle égyptienne (Spodoptera littoralis) et le tribolium rouge (Tribolium castaneum), qui peuvent ensemble détruire d’importantes portions de récoltes et détériorer les farines stockées. Cet article décrit la conception et l’évaluation d’une nouvelle famille de molécules synthétiques visant à tuer ces ravageurs de façon plus ciblée en s’attaquant à leur système nerveux, tout en offrant un potentiel de risque réduit pour les humains et l’environnement.

Pourquoi ces ravageurs posent un tel problème

La noctuelle égyptienne se nourrit d’une vingtaine de cultures, du coton et des tomates au blé et aux fraises, et peut réduire les rendements jusqu’à moitié. Le tribolium rouge prospère dans les silos et les moulins à farine chauffés, transformant des aliments précieux en poussière contaminée qui dégage une mauvaise odeur et peut présenter des risques pour la santé. Les insecticides actuels sont souvent à action large, peuvent nuire aux organismes non ciblés et perdent en efficacité à mesure que les insectes développent des résistances. Il y a une forte incitation à trouver de nouvelles molécules agissant de manière plus spécifique, afin que des doses plus faibles suffisent et que les effets indésirables soient réduits.

Concevoir un nouveau type de molécule insecticide

L’équipe de recherche a synthétisé huit composés apparentés combinant trois éléments structurels éprouvés souvent présents dans les médicaments : un noyau benzofurane, un noyau pyrazole et un groupe acrylamide. En reliant ces fragments dans un même cadre et en variant uniquement un anneau substitué, ils ont généré une petite « famille » de candidats. Ils ont ensuite utilisé des outils standards de la chimie — spectroscopies infrarouge et résonance magnétique nucléaire et spectrométrie de masse — pour confirmer que chaque produit présentait la structure prévue. Parallèlement à ce travail expérimental, ils ont employé des calculs avancés pour explorer comment la forme tridimensionnelle et la distribution électronique de chaque composé évoluent lorsque une partie clé de la molécule bascule entre deux arrangements en miroir, connus sous les formes E et Z.

Évaluer les nouveaux composés

Ensuite, les scientifiques ont mesuré la toxicité des composés sur les larves de quatrième stade de la noctuelle et sur les coléoptères adultes du tribolium rouge. Les insectes ont été exposés à différentes doses sur des surfaces traitées, et la mortalité a été suivie sur trois jours. Trois molécules — désignées 3a, 3b et 3c — se sont distinguées en provoquant une forte mortalité chez les deux espèces, tandis que les autres étaient peu actives ou inactives. Parmi elles, la 3a était la plus puissante contre la noctuelle, et la 3b la plus efficace contre le coléoptère, obtenant une élimination complète à la dose maximale testée en 72 heures. En comparant les légers ajustements chimiques entre membres actifs et inactifs de la série, l’équipe a constaté que l’ajout de groupes donneurs d’électrons, tels que méthyle ou méthoxy, en une position spécifique augmentait l’activité insecticide, alors que des groupes fortement attracteurs, comme nitro ou carboxyle, l’inhibaient largement.

Plongée dans le système nerveux des insectes

Pour comprendre le mode d’action, les auteurs se sont tournés vers des modèles informatiques de l’acétylcholinestérase, une enzyme clé qui arrête les signaux nerveux en dégradant le messager acétylcholine. De nombreux insecticides classiques inactivent cette enzyme. Par docking moléculaire, l’équipe a simulé l’ajustement des composés 3a, 3b et 3c dans l’acétylcholinestérase des deux insectes cibles. Les trois composés étaient prédits se lier de manière étroite dans la poche active via un réseau d’interactions hydrophobes et de liaisons hydrogène, avec des affinités de liaison similaires ou supérieures à celles d’un insecticide de référence largement utilisé. Des simulations de dynamique moléculaire, qui suivent le mouvement des atomes au fil du temps, ont montré que le complexe entre la 3b et l’enzyme restait stable et compact, suggérant un effet de blocage persistant. Parallèlement, un criblage ADMET in silico (absorption, distribution, métabolisme, excrétion et toxicité) indiquait que ces molécules respectent les règles usuelles de « drug‑likeness » et sont peu susceptibles d’être fortement mutagènes ou cancérogènes, même si leur caractère lipophile peut limiter les formulations aqueuses simples.

Ce que révèlent les calculs électroniques

La théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), une approche de modélisation à l’échelle quantique, a été utilisée pour expliquer pourquoi de petits changements structuraux entraînent de grandes différences. Les calculs ont montré que, pour certains membres de la série, en particulier le composé 3c, la forme E présente un très faible écart d’énergie entre les orbitales clés porteuses d’électrons, la rendant très réactive et un fort accepteur d’électrons. D’autres membres, comme la 3b, préféraient la forme Z, offrant un meilleur alignement électronique et des moments dipolaires plus élevés. Ces caractéristiques électroniques subtiles influent sur la capacité d’une molécule à interagir avec la cible enzymatique ou avec des surfaces, et contribuent à expliquer pourquoi certaines variantes se lient plus fortement même si elles ne sont pas les plus réactives sur le papier. De cette manière, l’étude relie directement la forme et la distribution de charge d’une molécule à son impact biologique.

Perspectives

Au total, l’étude identifie un petit ensemble d’hybrides benzofurane–pyrazole–acrylamide, en particulier les composés 3a, 3b et 3c, comme des pistes prometteuses pour de nouveaux insecticides contre deux ravageurs d’importance économique. Les essais en laboratoire montrent qu’ils peuvent tuer chenilles et coléoptères à des concentrations relativement faibles, et les modèles informatiques suggèrent qu’ils agissent en bloquant fermement une enzyme nerveuse vitale tout en présentant des caractéristiques de sécurité acceptables. Bien que beaucoup de tests supplémentaires soient nécessaires en conditions réelles et sur des organismes non ciblés, ces résultats tracent une voie rationnelle pour la conception d’agents de lutte antiparasitaire de nouvelle génération, à la fois puissants et mieux ciblés.

Citation: El-Bana, G.G., Fouad, M.R., Deeb, A.D.H. et al. Design, characterization, DFT studies, and molecular docking of new benzofuran–pyrazol-acrylamide hybrids as insecticidal agents against Spodoptera littoralis and Tribolium castaneum. Sci Rep 16, 10344 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39839-z

Mots-clés: conception d’insecticide, inhibiteurs de l’acétylcholinestérase, lutte contre les ravageurs des cultures, hybrides benzofurane pyrazole