Les astrobiologistes se concentrent sur la résolution de deux questions centrales pour comprendre les limites environnementales et chimiques de la vie. En comprenant les limites de la vie, ils ont l'intention d'identifier d'éventuelles biosignatures dans les atmosphères des exoplanètes et dans le système solaire. Par exemple, la membrane bicouche lipidique est une condition préalable centrale à la vie telle que nous la connaissons sur Terre. Des études précédentes basées sur des simulations de dynamique moléculaire ont suggéré que les membranes à polarité inversée appelées azotosomes constituées de petites molécules contenant de l'azote pourraient être cinétiquement abondantes sur des mondes liquides cryogéniques tels que la lune Titan de Saturne.

Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , H. Sandström et M. Rahm au département de chimie et de génie chimique de l'Université de technologie de Chalmers, Suède, a formé une prochaine étape potentielle pour étudier la viabilité thermodynamique de la formation d'azotosomes. À l'aide de calculs de mécanique quantique, ils ont prédit que les azotosomes sont incapables de s'auto-assembler dans l'eau liquide contrairement aux bicouches lipidiques. Ils proposent qu'en raison des conditions rigoureuses d'anhydre et de basse température, les membranes cellulaires peuvent être inutiles pour l'astrobiologie hypothétique sur Titan. Ces efforts sur l'astrobiologie computationnelle prédictive seront importants pour l'atterrissage prévu de la mission Dragonfly sur Titan en 2034.

La lune Titan de Saturne présente une chimie atmosphérique riche et une morphologie de surface dynamique entraînée par des précipitations saisonnières principalement des cycles de méthane et d'éthane. Les scientifiques ont observé des lacs et des mers d'hydrocarbures près des régions polaires de Titan pour établir des comparaisons avec le cycle hydrologique de la Terre par rapport à l'origine de la vie. Les conditions de surface de Titan sont, cependant, un froid de 90 à 94 K et contrairement à la Terre, La surface la plus externe de Titan est exempte d'oxygène et recouverte de produits de sa photochimie atmosphérique. Les chercheurs soupçonnent également la présence d'une croûte de glace d'eau gelée sous la couche organique la plus externe. Comme le test le plus strict pour les limites de la vie, Titan offre un environnement unique pour explorer la complexité chimique de la nature et sa progression sans eau liquide à basse température à des échelles de temps proches de l'âge du système solaire.

Le manque d'énergie thermique (kT =0,75 kJ/mol à 90 K) est un goulot d'étranglement pour la réactivité chimique sur Titan, cependant, la lumière du soleil est une source d'énergie (0,4 W/m ² ) disponible pour que la chimie se produise. Dans ce travail, Sandström et Rahm ont abordé la probabilité de formation de membranes cellulaires abiotiques, l'une des conditions préalables à l'origine de la vie sur des mondes tels que Titan. Les chercheurs avaient également discuté de l'idée de la compartimentation comme élément central de la vie pour suggérer la possibilité fascinante d'azotosomes sur Titan.

Les azotosomes sont des membranes constituées de petites molécules avec un groupe de tête d'azote et un groupe de queue d'hydrocarbure. Les groupes hydrophobes (groupes qui détestent l'eau) restent à l'extérieur des membranes des azotosomes (polarité inversée) par rapport aux membranes lipidiques normales dans l'eau, où les groupes hydrophobes restent généralement à l'intérieur. En utilisant une solution de dynamique moléculaire dans du méthane cryogénique, les équipes de recherche ont prédit que si les structures étaient en acrylonitrile (C 2 H 3 CN), ils auraient une élasticité similaire à celle d'une bicouche lipidique normale en solution aqueuse. La possibilité d'azotosomes a enflammé davantage les discussions sur les limites de la vie. Deux ans après la prédiction initiale, les scientifiques ont détecté de manière impressionnante l'acrylonitrile sur Titan à l'aide de l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

Étant donné que les membranes et les micelles normales abiotiques et biologiques sont formées via des processus d'auto-assemblage spontanés entraînés par une thermodynamique favorable. Les scientifiques ont cherché à savoir si la membrane d'azotosome proposée restait également viable pour les motifs thermodynamiques. Pour ça, Sandström et al. ont présenté des estimations de la persistance cinétique des azotosomes à l'aide de calculs de chimie quantique, puis ont abordé leurs associations pour l'exobiologie hypothétique dans des conditions thermodynamiques strictes sur Titan.

Dans l'hypothèse du "monde lipidique" ou "cellules d'abord", la formation abiotique de membranes a contribué à l'émergence de la vie; où les lipides dans l'eau s'auto-assemblent spontanément pour former des structures supramoléculaires telles que des membranes et des micelles, au-dessus d'une concentration critique. Lors de l'auto-assemblage des azotosomes sur Titan, les structures envisagées devront être cinétiquement persistantes et thermodynamiquement plus faibles en énergie que le cristal moléculaire correspondant (glace moléculaire). L'équipe de recherche a utilisé de la glace moléculaire cristalline comme candidat à l'auto-assemblage de l'acrylonitrile.

Sandström et al. appliqué la mécanique quantique sous la forme de la théorie fonctionnelle de la densité à dispersion corrigée (DFT) pour calculer l'énergie des quatre phases de la glace d'acrylonitrile correspondant aux données expérimentales de diffraction. Les calculs DFT ont confirmé l'absence de modes de phonons imaginaires, assurer la stabilité dynamique de la structure, ce qu'ils ont en outre confirmé à l'aide de simulations de dynamique moléculaire quantique basées sur DFT dans du méthane liquide à 90 K. Les calculs ont pris en compte les événements thermiques et entropiques sur les conditions de surface de Titan tout en tenant compte de l'interaction de la dispersion avec l'environnement méthane environnant.

Le problème de la thermodynamique pour l'origine de la vie n'est pas unique à Titan; les besoins énergétiques de Gibbs pour la formation macromoléculaire sont réduits sur les surfaces où la vie en surface constitue une première étape possible dans l'évolution de la vie sur Terre. Les scientifiques ont limité leurs calculs pour évaluer uniquement l'azotosome à base d'acrylonitrile et leur auto-assemblage dans des conditions pertinentes sur Titan, et ont montré leur stabilité cinétique suffisante pour une persistance à long terme à 90 K. Les structures membranaires hypothétiques constituées de molécules plus grosses étaient considérablement moins stables cinétiquement.

The results did not conclusively outline a possible route of self-assembly for cryogenic operable membranes, Sandström et al. did not rule out the existence and relevance of other polarity-inverted membranes built from far more strongly interacting constituents within warmer hydrocarbon environments. In the absence of azotosomes or other cell membranes, it is unlikely for life-governing processes to occur under cryogenic conditions, although life on cold hydrocarbon worlds such as Titan would not necessarily require cell membranes either. The scientists further indicate that any hypothetical life-bearing macromolecule or crucial machinery of a life form on Titan will only exist in the solid state and never risk destruction by dissolution.

The question remains if these biomolecules would benefit from a cell membrane. Due to low temperature conditions on Titan, biological macromolecules may rely on the diffusion of small energetic molecules such as hydrogen, acetylene or hydrogen cyanide for growth and replication. A membrane could hinder such benefits of diffusion. De la même manière, a membrane can hinder the removal of waste products of metabolism including methane and nitrogen. Inversement, it is also possible for a hypothetical cell membrane to protect against harmful chemicals on Titan. Cependant, the narrower energetic range calculated for thermally driven reaction pathways on Titan indicate that only fewer options may damage macromolecules on Titan compared to Earth.

De cette façon, azotosomes proposed to allow cryogenically operable membranes in liquid methane, pose an intriguing challenge to the principal understanding of biology. The molecule has highlighted the importance of following up properties of predicted molecules in computational astrobiology, to identify their plausible formation routes whenever possible. It is still exceedingly difficult to arrive at specific predictions of chemistry to support biological processes that occur under stringent, thermodynamic environmental constraints on worlds such as Titan. As the molecule of interest grows in complexity, the challenge to reliably model their properties and routes of formation (kinetics and thermodynamics) can become exceedingly difficult.

H. Sandström and M. Rahm calculated that azotosome membranes may be kinetically persistent, although the structure may not be thermodynamically feasible—preventing their self-assembly (unlike lipid bilayers in liquid water). They argue that cell membranes are unlikely to form on Titan's anhydrous and low-temperature environments. While it is possible to experimentally test computational predictions on the existence or nonexistence of azotosome membranes, speculations on the factual environmental limits of prebiotic chemistry and biology remain speculations. The research team suggest careful computational exploration of proposed prebiotic and biological structures and processes, and their plausibility to guide future in situ sampling of the surface chemistry of Titan.

© 2020 Réseau Science X