Depuis de nombreuses décennies, des biologistes, des chimistes et même des mathématiciens travaillent sur le problème de l'origine de la vie. Et bien qu'il existe déjà des hypothèses scientifiquement fondées et étayées sur l'évolution chimique avant l'apparition de la première cellule, les travaux dans ce sens se poursuivent. "Lenta.ru" parle d'une nouvelle étude sur le problème du monde de l'ARN, dont les résultats ont été publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences.
Des scientifiques de l'Université d'État de Portland, menant des expériences sur les ribozymes, ont découvert que la capacité de ces molécules à catalyser leur propre assemblage dépend de leur interaction avec d'autres molécules similaires. L'étude soutient indirectement l'hypothèse du monde de l'ARN, selon laquelle la première molécule organique qui est devenue la base des premières cellules était l'ARN. Ces molécules d'ARN ont pu s'auto-synthétiser, se concurrencer et participer à l'évolution prébiotique, lorsque les composés les plus performants sont devenus la base de complexes chimiques plus complexes.
Beaucoup de gens savent que les cellules vivantes ont leurs propres catalyseurs spéciaux: des enzymes, qui sont des molécules de protéines complexes et qui effectuent des réactions vitales. Cependant, les enzymes peuvent être non seulement des protéines, mais également des chaînes d'ARN. Rappelons que l'ARN est un acide nucléique très similaire à l'ADN, mais en diffère en ce qu'il contient du sucre ribose (pas de désoxyribose), et qu'une des bases azotées, la thymine, est remplacée par l'uracile. Selon les scientifiques, l'ARN est apparu avant l'ADN, car il est beaucoup plus labile (sa structure est plus sensible aux changements) et peut effectuer des réactions catalytiques sans l'aide de protéines. Les molécules d'ARN qui sont des enzymes sont appelées ribozymes. En règle générale, les ribozymes catalysent le clivage d'eux-mêmes ou d'autres molécules d'ARN.
L'un des ribozymes les plus étudiés est l'Azo, une enzyme fabriquée par des scientifiques à partir d'introns auto-coupants du groupe I trouvés dans l'ADN de la bactérie Azoarcus. Les introns sont des régions de gènes qui ne contiennent pas d'informations sur la séquence d'une protéine ou d'un acide nucléique et sont excisés pendant la maturation de l'ARN messager (ARNm). Tous les introns du groupe I catalysent leur propre excision de la séquence d'ARN. L'intron ribozyme Azo qui intéresse les scientifiques est localisé dans un gène qui code pour un ARN de transport (ARNt) qui transporte l'acide aminé isoleucine. À l'intérieur de la cellule, Azo, comme d'autres ribozymes, effectue sa propre excision de l'ARNt, mais dans des conditions de laboratoire, il a pu apprendre à réaliser un épissage inverse: le ribozyme coupe à un certain endroit le substrat - une courte molécule d'ARN avec une séquence nucléotidique spécifique,dont des morceaux restent attachés à Azo.
La structure du ribozyme de la bactérie Azoarcus. Le fragment IGS est marqué en rouge
Image: Jessica AM Yeates et al. Département de chimie, Portland State University
Azo mesure environ 200 nucléotides et peut se décomposer en deux, trois ou quatre fragments qui se rassemblent spontanément à 42 degrés Celsius en présence d'une solution de MgCl2. Le processus d'auto-assemblage commence par l'interaction entre deux triplets nucléotidiques (triplets) appartenant à différents fragments d'ARN. Lorsque des liaisons hydrogène se forment entre les triplets selon le principe de la complémentarité, les parties du ribozyme changent de structure spatiale et se réunissent les unes avec les autres. Les scientifiques se sont concentrés sur la réaction d'auto-assemblage de deux fragments, qui ont été provisoirement nommés WXY et Z, où W, X, Y et Z représentent des régions distinctes du ribozyme d'environ 50 nucléotides de long (Fig.1). Sur le site W, à l'extrémité avant de la molécule d'ARN, se trouve l'un des triplets,qui intervient dans l'initiation de l'auto-assemblage et est appelée «séquence guide interne» (IGS). À la fin de WXY, il y a un triplet d'étiquette, qui, interagissant avec IGS, forme une forte liaison covalente avec le fragment Z.
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Les chercheurs ont créé différents variants (génotypes) de fragments WXY en modifiant les nucléotides situés au milieu des triplets IGS et marqueurs (nucléotides M et N, respectivement). Etant donné que les molécules d'ARN sont généralement formées par seulement quatre types de nucléotides, il y en a 16. Par exemple, l'un des génotypes peut être 5'-GGG-WXY-CAU-3 ', et l'autre 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Toutes ces variantes de molécules peuvent entrer en compétition les unes avec les autres, formant divers réseaux métaboliques, dans lesquels une ressource commune - la molécule Z - est nécessaire pour restaurer un ribozyme entier.
La réaction entre différents fragments du ribozyme azo pour former une molécule entière
Image: Jessica AM Yeates et al. Département de chimie, Portland State University.
Dans leurs expériences, les scientifiques ont d'abord testé la capacité de chaque génotype à s'auto-assembler séparément. Lorsque M et N forment des paires Watson-Crick (c'est-à-dire, selon le principe de complémentarité, A - U, C - G), le taux d'auto-assemblage des ribozymes devient plus élevé que pour les autres types de paires. Les chercheurs ont ensuite simulé un environnement chaud de «petit étang» dans lequel diverses molécules prébiotiques interagissent les unes avec les autres pour tirer profit les unes des autres et accélérer l'auto-organisation. Les biochimistes ont suivi le comportement de génotypes appariés les uns aux autres; au total, les scientifiques ont étudié 120 paires, constituées de deux variantes WXY dissemblables. Ils ont mesuré la vitesse de chaque réaction qui a eu lieu entre les molécules des deux génotypes WXY et les fragments Z à l'intérieur de tubes séparés pendant 30 minutes.
Interaction entre les séquences de différents fragments de ribozymes à l'aide de liaisons hydrogène
Image: Jessica AM Yeates et al. Département de chimie, Portland State University
En combinant les résultats des deux étapes de l'expérience et en ayant obtenu les taux d'auto-assemblage lorsque deux génotypes différents interagissent, les chercheurs ont mis en place une expérience évolutive. Des paires de génotypes ont été mélangées dans des proportions égales, munies de fragments Z et ont réagi les unes avec les autres pendant cinq minutes. Pendant ce temps, les scientifiques ont échantillonné 10% de la solution dans un nouveau tube à essai, qui contenait plus de WXY n'ayant pas réagi de chaque génotype et de fragments Z. Les scientifiques ont suivi les ratios de chaque génotype WXYZ au cours de huit de ces transferts. Cela a permis d'estimer l'équivalent chimique du succès évolutif des ribozymes au fil des générations, qui a été observé comme une "explosion" - c'est-à-dire une forte augmentation du taux d'auto-assemblage de l'ARN. Dans une expérience évolutive, les biologistes ont étudié l'interaction de sept paires de ribozymes.
Sur la base de toutes les expériences de laboratoire, les scientifiques ont dérivé un modèle mathématique d'équations différentielles qui prennent en compte le taux d'auto-assemblage des génotypes avec ou sans la présence d'autres génotypes. Ce modèle est devenu la base d'une nouvelle théorie évolutive des jeux, qui définit plusieurs comportements des molécules d'ARN. Dans un cas, appelé «Dominance», l'un des génotypes est toujours plus courant que l'autre, alors que son taux d'auto-assemblage dépasse toujours la vitesse du concurrent. Dans l'autre cas - «coopération» - les deux génotypes qui interagissent les uns avec les autres reçoivent des avantages de la «coopération», et la vitesse de leur auto-assemblage dépasse celle qu'ils auraient séparément l'un de l'autre. Le «scénario égoïste» - l'exact opposé de la «coopération» - signifie que chaque ribozyme reçoit individuellement plus que lorsqu'il interagit avec quelqu'un d'autre. et enfinen "Contre-dominance", le génotype à faible taux d'auto-assemblage commence soudainement à apparaître plus souvent que son concurrent.
Cette étude ne vise pas à prouver directement l'hypothèse du monde de l'ARN, mais elle représente une autre pièce du puzzle de la compréhension scientifique de l'évolution prébiotique. Il a été montré pour la première fois que les propriétés enzymatiques de molécules individuelles peuvent être améliorées en présence d'autres molécules qui ne diffèrent que par un ou deux nucléotides. Dans la solution gigantesque qu'était les océans de la Terre à l'aube de la vie, ces molécules se faisaient concurrence pour les substrats, coopéraient et intensifiaient leur action. Sur cette base, on peut déjà supposer pourquoi des composés organiques complexes ont cherché à s'unir en des systèmes qui sont des prototypes des premières cellules.
Alexandre Enikeev
