- Première partie: Comment faire une cellule -
- Deuxième partie: Une scission dans les rangs des scientifiques -
- Quatrième partie: l'énergie des protons -
- Cinquième partie: alors comment créer une cellule? -
- Sixième partie: La grande unification -
Ainsi, après les années 1960, les scientifiques essayant de comprendre l'origine de la vie se sont divisés en trois groupes. Certains d'entre eux étaient convaincus que la vie commençait avec la formation de versions primitives de cellules biologiques. D'autres pensaient que le système métabolique était la première étape clé, tandis que d'autres se concentraient sur l'importance de la génétique et de la réplication. Ce dernier groupe a commencé à comprendre à quoi pourrait ressembler le premier réplicateur, en supposant qu'il était fabriqué à partir d'ARN.
Déjà dans les années 1960, les scientifiques avaient des raisons de croire que l'ARN était la source de toute vie.
En particulier, l'ARN peut faire quelque chose que l'ADN ne peut pas. C'est une molécule simple brin, donc contrairement à l'ADN rigide double brin, elle peut se replier dans un certain nombre de formes différentes.
Semblable à l'origami, l'ARN de repliement avait généralement un comportement similaire à celui des protéines. Les protéines sont également pour la plupart de longues chaînes - uniquement d'acides aminés, pas de nucléotides - ce qui leur permet de créer des structures complexes.
C'est la clé de la capacité la plus étonnante des protéines. Certains d'entre eux peuvent accélérer ou «catalyser» les réactions chimiques. Ces protéines sont appelées enzymes.
De nombreuses enzymes peuvent être trouvées dans vos intestins, où elles décomposent les molécules complexes des aliments en types simples de sucres que vos cellules peuvent utiliser. Il serait impossible de vivre sans enzymes.
Leslie Orgel et Frances Crick commençaient à soupçonner quelque chose. Si l'ARN peut se replier comme une protéine, peut-être qu'il peut former des enzymes? Si cela était vrai, alors l'ARN pourrait être une molécule vivante originale - et universelle -, stockant des informations, comme l'ADN le fait actuellement, et catalysant des réactions, comme le font certaines protéines.
C'était une excellente idée, mais en dix ans, elle n'a obtenu aucune preuve.
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Thomas Cech, 2007
Thomas Cech est né et a grandi dans l'Iowa. Enfant, il était fasciné par les roches et les minéraux. Et déjà au collège, il a regardé l'université locale et a frappé aux portes des géologues avec une demande de montrer des modèles de structures minérales.
Cependant, il est finalement devenu un biochimiste et s'est concentré sur l'ARN.
Au début des années 1980, Cech et ses collègues de l'Université du Colorado à Boulder ont étudié l'organisme unicellulaire Tetrahymena thermophila. Une partie de sa machinerie cellulaire comprend des brins d'ARN. Cech a découvert qu'un seul segment d'ARN était en quelque sorte séparé du reste, comme s'il avait été découpé avec des ciseaux.
Lorsque les scientifiques ont retiré toutes les enzymes et autres molécules susceptibles de servir de ciseaux moléculaires, l'ARN a continué à être sécrété. Ils ont donc trouvé la première enzyme ARN: un petit morceau d'ARN qui peut se couper du long brin dont il fait partie.
Cech a publié les résultats de ses travaux en 1982. L'année suivante, un autre groupe de scientifiques a découvert une deuxième enzyme ARN, "ribozyme" (abréviation de "acide ribonucléique" et "enzyme", alias enzyme). La découverte de deux enzymes ARN l'une après l'autre a indiqué qu'il devait y en avoir beaucoup plus. Et ainsi l'idée de commencer la vie avec de l'ARN a commencé à paraître solide.
Cependant, le nom de cette idée a été donné par Walter Gilbert de l'Université Harvard à Cambridge, Massachusetts. En tant que physicien fasciné par la biologie moléculaire, Gilbert est également devenu l'un des premiers partisans du séquençage du génome humain.
En 1986, Gilbert a écrit dans Nature que la vie a commencé dans le «monde de l'ARN».
La première étape de l'évolution, selon Gilbert, consistait en "des molécules d'ARN réalisant l'activité catalytique nécessaire pour s'assembler dans un bouillon de nucléotides". En copiant et en collant différents morceaux d'ARN ensemble, les molécules d'ARN pourraient créer des séquences encore plus utiles. Enfin, ils ont trouvé un moyen de créer des protéines et des enzymes protéiques qui se sont révélées si utiles qu'elles ont largement supplanté les versions d'ARN et ont donné naissance à la vie que nous avons.
RNA World est un moyen élégant de reconstruire une vie complexe à partir de zéro. Plutôt que de compter sur la formation simultanée de dizaines de molécules biologiques à partir d'une soupe primordiale, une molécule «un pour tous» pourrait faire le travail.
En 2000, l'hypothèse du monde de l'ARN a reçu une quantité colossale de preuves à l'appui.
Le ribosome fabrique des protéines
Thomas Steitz a passé 30 ans à étudier la structure des molécules dans les cellules vivantes. Dans les années 1990, il se consacre à sa tâche la plus sérieuse: déterminer la structure du ribosome.
Il y a un ribosome dans chaque cellule vivante. Cette énorme molécule lit les instructions de l'ARN et arrange les acides aminés pour fabriquer des protéines. Les ribosomes dans vos cellules ont construit la majeure partie de votre corps.
Le ribosome était connu pour contenir de l'ARN. Mais en 2000, l'équipe de Steitz a produit une image détaillée de la structure du ribosome, qui a montré que l'ARN était le noyau catalytique du ribosome.
C'était important car le ribosome est fondamentalement important pour la vie et très ancien en même temps. Le fait que cette machine essentielle ait été construite sur l'ARN a rendu l'hypothèse du monde de l'ARN encore plus plausible.
Les partisans du «monde de l'ARN» ont triomphé et en 2009, Steitz a reçu une part du prix Nobel. Mais depuis lors, les scientifiques ont commencé à douter. Dès le début, l'idée d'un «monde ARN» a posé deux problèmes. L'ARN pourrait-il vraiment remplir toutes les fonctions de la vie à lui seul? Aurait-il pu se former sur la Terre primitive?
Cela fait 30 ans que Gilbert a jeté les bases du «monde de l'ARN», et nous n'avons toujours pas trouvé de preuves solides que l'ARN peut faire tout ce que la théorie exige de lui. C'est une petite molécule habile, mais elle ne peut peut-être pas tout faire.
Une chose était claire. Si la vie commençait avec une molécule d'ARN, l'ARN devait être capable de se copier: il devait être auto-répliquant, auto-répliquant.
Mais aucun des ARN connus ne peut se répliquer. Tout comme l'ADN. Ils ont besoin d'un bataillon d'enzymes et d'autres molécules pour créer une copie ou un morceau d'ARN ou d'ADN.
Ainsi, à la fin des années 1980, plusieurs scientifiques ont entamé une quête très chimérique. Ils ont décidé de créer eux-mêmes un ARN auto-réplicatif.
Jack Shostak
Jack Shostak de la Harvard School of Medicine a été l'un des premiers à y participer. Enfant, il était tellement fasciné par la chimie qu'il a ouvert un laboratoire au sous-sol de sa maison. Au mépris de sa propre sécurité, il a même déclenché une fois une explosion, après quoi un tube de verre a été coincé dans le plafond.
Au début des années 1980, Shostak a aidé à montrer comment les gènes se protègent du processus de vieillissement. Cette étude plutôt précoce lui a finalement valu une part du prix Nobel. Cependant, très vite, il admira les enzymes ARN de Cech. «Je pensais que ce travail était génial», dit-il. "En principe, il est tout à fait possible que l'ARN catalyse sa propre reproduction."
En 1988, Cech a découvert une enzyme ARN capable de construire une molécule d'ARN courte de 10 nucléotides de long. Shostak a décidé d'améliorer la découverte en produisant de nouvelles enzymes ARN en laboratoire. Son équipe a créé un ensemble de séquences aléatoires et testé pour voir si l'une d'entre elles avait des capacités catalytiques. Ensuite, ils ont pris ces séquences, les ont retravaillées et les ont testées à nouveau.
Après 10 cycles de telles actions, Shostak a produit une enzyme ARN qui a accéléré la réaction de sept millions de fois. Il a montré que les enzymes ARN peuvent être vraiment puissantes. Mais leur enzyme ne pouvait pas se copier, même pas légèrement. Shostak était dans une impasse.
Peut-être que la vie n'a pas commencé avec l'ARN
La prochaine grande étape a été franchie en 2001 par l'ancien étudiant de Shostak David Bartel du Massachusetts Institute of Technology à Cambridge. Bartel a fabriqué l'enzyme ARN R18 qui pourrait ajouter de nouveaux nucléotides au brin d'ARN sur la base d'une matrice existante. En d'autres termes, il n'ajoutait pas de nucléotides aléatoires: il copiait correctement la séquence.
Certes, ce n'était pas encore un auto-réplicateur, mais déjà quelque chose de similaire. R18 se composait d'une chaîne de 189 nucléotides et pouvait ajouter de manière fiable 11 nucléotides à la chaîne: 6% de sa propre longueur. On espérait que quelques ajustements lui permettraient de construire une chaîne de 189 nucléotides - tout comme lui.
La meilleure chose a été faite par Philip Holliger en 2011 du laboratoire de biologie moléculaire de Cambridge. Son équipe a créé un R18 modifié appelé tC19Z qui copiait des séquences jusqu'à 95 nucléotides de longueur. C'est 48% de sa propre longueur: plus que la R18, mais loin des 100%.
Une approche alternative a été proposée par Gerald Joyce et Tracy Lincoln du Scripps Institute de La Jolla, en Californie. En 2009, ils ont créé une enzyme ARN qui se réplique indirectement. Leur enzyme combine deux courts morceaux d'ARN pour créer une deuxième enzyme. Il combine ensuite les deux autres morceaux d'ARN pour recréer l'enzyme d'origine.
Compte tenu de la disponibilité des matières premières, ce cycle simple peut se poursuivre indéfiniment. Mais les enzymes ne fonctionnaient que lorsqu'elles recevaient les bons brins d'ARN, ce que Joyce et Lincoln devaient faire.
Pour de nombreux scientifiques sceptiques quant au «monde de l'ARN», le manque d'ARN auto-réplicatif est un problème fatal avec cette hypothèse. L'ARN, apparemment, ne peut tout simplement pas prendre et démarrer la vie.
Le problème a également été aggravé par l'échec des chimistes à créer de l'ARN à partir de zéro. Cela semblerait une simple molécule comparée à l'ADN, mais il est extrêmement difficile de la fabriquer.
Le problème réside dans le sucre et la base qui composent chaque nucléotide. Vous pouvez faire chacun d'eux séparément, mais ils refusent obstinément de s'impliquer. Au début des années 90, ce problème était devenu apparent. De nombreux biologistes ont soupçonné que l'hypothèse du «monde de l'ARN», malgré toute son attrait, pourrait ne pas être entièrement correcte.
Au lieu de cela, il peut y avoir eu un autre type de molécule sur la Terre primitive: quelque chose de plus simple que l'ARN, qui pourrait en fait se ramasser de la soupe primordiale et commencer à se reproduire. Il pourrait y avoir d'abord cette molécule, qui a ensuite conduit à l'ARN, à l'ADN et ainsi de suite.
L'ADN aurait difficilement pu se former sur la Terre primitive
En 1991, Peter Nielsen de l'Université de Copenhague au Danemark a proposé un candidat pour les réplicateurs primaires.
C'était essentiellement une version fortement modifiée de l'ADN. Nielsen a conservé les mêmes bases - A, T, C et G - que l'on trouve dans l'ADN - mais a fabriqué le squelette à partir de molécules appelées polyamides, plutôt qu'à partir de sucres, qui se trouvent également dans l'ADN. Il a nommé la nouvelle molécule d'acide nucléique polyamide, ou PNA. De manière incompréhensible, il est depuis devenu un acide nucléique peptidique.
Le PNA n'a jamais été trouvé dans la nature. Mais il se comporte presque comme de l'ADN. Le brin PNA peut même prendre la place de l'un des brins de la molécule d'ADN, et les bases sont appariées comme d'habitude. De plus, le PNA peut se tordre en une double hélice, comme l'ADN.
Stanley Miller était intrigué. Profondément sceptique quant au monde de l'ARN, il soupçonnait que le PNA était un candidat beaucoup plus probable pour le premier matériel génétique.
En 2000, il a produit des preuves solides. À ce moment-là, il avait déjà 70 ans et avait subi plusieurs accidents vasculaires cérébraux qui pourraient l'envoyer dans une maison de retraite, mais il n'a pas abandonné. Il a répété son expérience classique, dont nous avons discuté dans le premier chapitre, cette fois en utilisant du méthane, de l'azote, de l'ammoniac et de l'eau - et a obtenu un PNA à base de polyamide.
Cela suggère que le PNA, contrairement à l'ARN, pourrait bien s'être formé sur la Terre primitive.
Molécule d'acide nucléique thréose
D'autres chimistes ont mis au point leurs propres acides nucléiques alternatifs.
En 2000, Albert Eschenmoser a fabriqué de l'acide nucléique thréose (TNK). C'est le même ADN, mais avec un sucre différent à la base. Les chaînes TNC peuvent former une double hélice et les informations sont copiées dans les deux sens entre l'ARN et le TNK.
De plus, les TNC peuvent prendre des formes complexes et même se lier à des protéines. Cela suggère que la TNK peut agir comme une enzyme, comme l'ARN.
En 2005, Eric Megges a fabriqué un acide nucléique glycolique qui peut former des structures hélicoïdales.
Chacun de ces acides nucléiques alternatifs a ses propres partisans. Mais aucune trace d'entre eux ne peut être trouvée dans la nature, donc si la première vie les a vraiment utilisés, à un moment donné, elle a dû les abandonner complètement au profit de l'ARN et de l'ADN. Cela peut être vrai, mais il n'y a aucune preuve.
En conséquence, au milieu des années 2000, les partisans du monde de l'ARN se sont retrouvés dans un dilemme.
D'une part, les enzymes ARN existaient et comprenaient l'une des parties les plus importantes de l'ingénierie biologique, le ribosome. Bien.
Mais l'ARN auto-réplicatif n'a pas été trouvé et personne ne pouvait comprendre comment l'ARN était formé dans la soupe primordiale. Des acides nucléiques alternatifs pourraient résoudre ce dernier problème, mais rien ne prouve qu'ils existaient dans la nature. Pas très bien.
La conclusion évidente était que le "monde de l'ARN", malgré son attrait, s'est avéré être un mythe.
Pendant ce temps, une théorie différente a progressivement pris de l'ampleur depuis les années 1980. Ses partisans soutiennent que la vie n'a pas commencé avec l'ARN, l'ADN ou tout autre matériel génétique. Au lieu de cela, cela a commencé par un mécanisme pour exploiter l'énergie.
La vie a besoin d'énergie pour rester en vie
ILYA KHEL
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