Comment la vie a-t-elle réussi à reconstituer des myriades de pièces? À tout le moins, les premières formes de vie sur Terre avaient besoin d'un moyen de stocker et de reproduire les informations. Ce n'est qu'alors qu'ils pourront faire des copies d'eux-mêmes et se répandre dans le monde entier. Peut-être que la chimie a joué un rôle beaucoup plus important dans l'origine de la vie qu'on ne le pensait auparavant.
L'une des hypothèses les plus influentes est que tout a commencé avec l'ARN, une molécule qui peut simultanément enregistrer des enregistrements génétiques et déclencher des réactions chimiques. L'hypothèse du «monde de l'ARN» se manifeste sous de nombreuses formes, mais selon les plus traditionnelles, la vie a commencé par la formation d'une molécule d'ARN capable de se reproduire. Ses descendants ont développé la capacité d'accomplir de nombreuses tâches telles que la fabrication de nouveaux composés et le stockage de l'énergie. Au fil du temps, une vie difficile a suivi.
Cependant, les scientifiques ont découvert que l'ARN auto-répliquant est étonnamment difficile à créer en laboratoire. Ils ont réussi, mais les molécules candidates fabriquées à ce jour ne peuvent reproduire que de l'ARN d'une certaine séquence ou longueur. De plus, ces molécules d'ARN elles-mêmes sont assez complexes, ce qui pose la question de savoir comment elles auraient pu être formées par la volonté d'un accident chimique.
Nick Hud, chimiste au Georgia Institute of Technology, et ses collègues ont décidé d'aller au-delà de la biologie et d'étudier le rôle possible de la chimie dans l'origine de la vie. Peut-être, avant l'émergence de la biologie, il y avait une étape préliminaire de la proto-vie, dans laquelle seuls les processus chimiques ont créé un «buffet» d'ARN et de molécules semblables à l'ARN. «Je pense qu'il y a eu pas mal d'étapes qui ont conduit à un système autosuffisant qui se reproduit», dit Hud.
Dans ce scénario, diverses molécules ressemblant à de l'ARN pourraient se former spontanément, aidant le bouillon chimique à inventer simultanément de nombreux détails nécessaires au développement de la vie. Les formes de proto-vie ont expérimenté l'ingénierie moléculaire primitive, la démontant pièce par pièce. L'ensemble du système a fonctionné comme un béguin géant. Ce n'est que lorsqu'un tel système a été mis en place que l'ARN auto-réplicatif a émergé.
Au cœur de la proposition de Hud se trouve les moyens chimiques de créer une variété aussi riche de proto-vie. Les simulations informatiques montrent que certaines conditions chimiques peuvent produire une collection diversifiée de molécules de type ARN. L'équipe teste actuellement cette idée avec de vraies molécules en laboratoire et espère présenter bientôt des résultats.
Le groupe de Hud ouvre la voie à un certain nombre de chercheurs qui remettent en question l'hypothèse traditionnelle du monde de l'ARN et sa dépendance à l'évolution biologique plutôt que chimique. Dans le modèle traditionnel, une nouvelle ingénierie moléculaire a été créée à l'aide de catalyseurs biologiques - des enzymes - comme c'est le cas avec les cellules modernes. Au cours de la phase de proto-vie de Hud, des myriades de molécules d'ARN ou de type ARN pourraient être formées et modifiées en utilisant des méthodes purement chimiques. «L'évolution chimique aurait pu aider à démarrer la vie sans enzymes», dit Hud.
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Hud et ses collègues ont décidé d'aller plus loin et de supposer que le ribosome, seul élément du génie biologique présent dans tous les êtres vivants aujourd'hui, est entièrement issu de la seule chimie. C'est une façon inhabituelle de voir les choses, car beaucoup pensent que le ribosome est né de la biologie.
Si l'équipe de Hud peut créer des formes de protovie dans des conditions qui auraient pu exister sur la Terre primitive, on peut supposer que l'évolution chimique a peut-être joué un rôle beaucoup plus important dans l'origine de la vie que les scientifiques ne l'avaient prévu. «L'évolution darwinienne a peut-être été précédée par une forme plus simple d'évolution», déclare Niels Lehman, biochimiste à l'Université de Portland dans l'Oregon.
Monde pré-darwinien
Lorsque la plupart pensent à l'évolution, c'est l'évolution darwinienne qui vient à l'esprit, dans laquelle les organismes se font concurrence pour des ressources limitées et transmettent des informations génétiques à leurs descendants. Chaque génération subit des corrections génétiques, et les descendants les plus performants survivent pour transmettre leurs gènes. Ce mode d'évolution prévaut dans la vie moderne.
Karl Woese, le biologiste renommé qui nous a donné l'arbre de vie moderne, croyait que l'ère darwinienne était précédée par un stade précoce de la vie, régi par des forces évolutionnistes complètement différentes. Woese pensait qu'il serait presque impossible pour une seule cellule d'obtenir tout ce dont elle a besoin pour vivre. Par conséquent, il a envisagé une riche variété de molécules impliquées dans l'existence communautaire. Au lieu de se concurrencer, les cellules primitives ont partagé des innovations moléculaires. Ce bouillon pré-darwinien a créé les ingrédients nécessaires à une vie complexe, ouvrant la voie à la magnifique ménagerie que nous voyons sur Terre aujourd'hui.
Le modèle de Hud ramène la vision du temps pré-darwinienne de Woese encore plus loin dans le temps, fournissant aux cellules primitives les moyens chimiques de créer une diversité moléculaire. Une forme de proto-vie pourrait concevoir un moyen de créer les blocs dont elle avait besoin pour se créer, une autre pourrait trouver un moyen d'obtenir de l'énergie. Ce modèle diffère de l'hypothèse traditionnelle du monde de l'ARN par sa dépendance à l'évolution chimique plutôt que biologique.
Dans le monde de l'ARN, les premières molécules d'ARN se sont reproduites à l'aide de l'enzyme intégrée ribozyme, qui est composée d'ARN. Dans le monde de la proto-vie de Hud, cette tâche était réalisée exclusivement par des méthodes chimiques. L'histoire commence par une soupe chimique de molécules ressemblant à de l'ARN. La plupart étaient courtes, car les chaînes courtes se formeraient très probablement spontanément, mais il pourrait également y avoir des molécules complexes plus longues. Le modèle de Hud décrit comment des molécules plus longues pourraient être reproduites sans l'aide d'une enzyme.
Hud pense que dans le monde prébiotique, le bouillon d'ARN primaire a subi des cycles de chauffage et de refroidissement réguliers et est devenu épais et visqueux. La chaleur a séparé les paires d'ARN liées et la solution visqueuse a gardé les molécules séparées pendant un certain temps. Pendant ce temps, de petits segments d'ARN, de quelques caractères seulement, sont attachés à chaque long brin. Ces petits segments ont été progressivement cousus ensemble, formant un nouveau brin d'ARN correspondant au long brin d'origine. Puis le cycle a recommencé.
Voies chimiques de réplication de l'ARN
Au fil du temps, au fur et à mesure que le bouillon d'une variété de molécules de type ARN se développait et se développait, certaines d'entre elles ont acquis des fonctions simples comme le métabolisme. De même, des réactions chimiques pures pourraient produire une diversité moléculaire pour créer une corne d'abondance pré-darwinienne de proto-vie de Woese.
Le groupe de Hud a réussi à achever les premières étapes du processus de reproduction en laboratoire, bien qu'il n'ait pas encore appris à coller de courts segments sans recourir à des outils biologiques. S'ils parviennent à surmonter cet obstacle, ils créeront un moyen universel de reproduire l'ARN.
Cependant, certains scientifiques doutent que la reproduction à médiation chimique soit suffisamment bonne pour reproduire le monde pré-darwinien décrit par Hud. «Je ne sais pas si j’y crois», déclare Paul Higgs, biophysicien à l’Université McMaster à Hamilton, en Ontario, qui étudie les origines de la vie. "Tout doit se dérouler assez rapidement et avec suffisamment de précision pour créer de la cohérence." Autrement dit, ce processus doit produire de nouveaux ARN plus rapidement qu'ils ne sont détruits, et suffisamment précisément pour créer des copies approximatives des molécules modèles.
Les changements chimiques ne suffisent pas à eux seuls à donner vie. Le bouillon de proto-vie avait encore besoin d'une sorte de sélection qui garantirait que les molécules bénéfiques se développeraient et se multiplieraient. Dans leur modèle, le groupe de Hada suggère que les proto-enzymes les plus simples auraient pu émerger et se propager, ce qui a commencé à profiter à leurs créateurs et à la société en général. Par exemple, une molécule d'ARN qui a produit plus de blocs de construction a profité à elle-même et à ses voisins en leur fournissant des matières premières supplémentaires pour la reproduction. Des simulations informatiques réalisées par le groupe de Hud ont montré que ce type de molécule pourrait bien prendre racine. Celui qui enrichit le bouillon est très utile.
Racines ribosomales
Un aperçu possible du monde pré-darwinien peut être vu dans le ribosome, une pièce ancienne de la machinerie moléculaire qui sous-tend notre code génétique. C'est une enzyme qui traduit l'ARN, qui code l'information génétique, en protéines qui effectuent de nombreuses réactions chimiques dans nos cellules.
Le noyau du ribosome est composé d'ARN. Cela rend le ribosome unique - la grande majorité des enzymes de nos cellules sont constituées de protéines. Le noyau ribosomal et le code génétique sont communs à tous les êtres vivants, ce qui indique leur existence au tout début de l'évolution de la vie, peut-être même avant le franchissement du seuil darwinien.
Hud et sa collègue Lauren Williams, également de Georgia Tech, indiquent que le ribosome soutient leur théorie du monde chimiquement défini. Dans un article publié l'année dernière, ils ont fait une déclaration controversée: le noyau du ribosome a été créé par l'évolution chimique. Et ils ont également suggéré qu'il est apparu avant même l'apparition de la première molécule d'ARN auto-réplicative. Le noyau ribosomal a peut-être été une expérience réussie dans l'évolution chimique, disent-ils. Et après avoir pris racine dans le bouillon pré-darwinien, il a franchi le seuil darwinien et est devenu une partie importante de toute vie.
Leur argument repose sur la relative simplicité du noyau ribosomal, officiellement connu sous le nom de centre peptidyl transférase (PTC). Le travail du PTC est de rassembler les acides aminés, les éléments constitutifs des protéines. Contrairement aux enzymes traditionnelles, qui accélèrent les réactions chimiques à l'aide de «trucs chimiques intelligents», il fonctionne comme un dessicant. Il persuade deux acides aminés de se lier en supprimant simplement la molécule d'eau. «C'est une mauvaise façon de provoquer une réaction», dit Lehman. "Les enzymes protéiques reposent généralement sur des stratégies chimiques plus puissantes."
Lehman note que la simplicité a probablement précédé le pouvoir dans les premiers stades de la vie. «Quand vous pensez à l'origine de la vie, vous devez d'abord penser à une simple chimie; tout procédé de la chimie la plus simple est probablement ancien, dit-il. "Je pense que c'est un argument plus convaincant que le fait qu'elle appartient à toute vie."
Malgré des preuves solides, il est encore difficile d'imaginer comment le noyau ribosomal aurait pu être créé à la suite de l'évolution chimique. Une enzyme qui fait plus d'elle-même - comme un réplicateur d'ARN dans l'hypothèse du monde de l'ARN - crée automatiquement une boucle fermée, augmentant constamment sa propre productivité. En revanche, le noyau ribosomal ne produit pas plus de noyaux ribosomaux. Il produit des chaînes aléatoires d'acides aminés. On ne sait pas comment ce processus devrait stimuler la production de plus de ribosomes.
Hud et ses collègues pensent que l'ARN et les protéines se sont développés en tandem et que quiconque a compris comment travailler ensemble a survécu. Cette idée n'a pas la simplicité du monde de l'ARN, qui postule l'existence d'une seule molécule capable de coder simultanément des informations et de catalyser des réactions chimiques. Mais Hud croit autrement: c'est la complexité qui ajoute de l'élégance à l'émergence de la vie.
«Je pense qu'on a toujours trop insisté sur la simplicité, qu'un polymère vaut mieux que deux», dit-il. «Il pourrait être plus facile d'obtenir des réactions spécifiques si les deux polymères travaillent ensemble. Il a peut-être été plus facile pour les polymères de travailler ensemble dès le départ. »
Basé sur des matériaux de Quanta Magazine
