La vie sur Terre est apparue il y a environ 4 milliards d'années lorsque les premières cellules se sont formées dans une soupe primordiale de complexe, composés chimiques riches en carbone.

Ces cellules étaient confrontées à une énigme chimique. Ils avaient besoin d'ions particuliers de la soupe pour remplir leurs fonctions de base. Mais ces ions chargés auraient perturbé les membranes simples qui encapsulaient les cellules.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Washington a résolu cette énigme en utilisant uniquement des molécules qui auraient été présentes sur la Terre primitive. En utilisant la taille des cellules, compartiments remplis de fluide entourés de membranes constituées de molécules d'acides gras, l'équipe a découvert que les acides aminés, les éléments constitutifs des protéines, peut stabiliser les membranes contre les ions magnésium. Leurs résultats ont ouvert la voie aux premières cellules à coder leur information génétique dans l'ARN, une molécule apparentée à l'ADN qui nécessite du magnésium pour sa production, tout en maintenant la stabilité de la membrane.

Les résultats, publié la semaine du 12 août dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , aller au-delà d'expliquer comment les acides aminés ont pu stabiliser les membranes dans des environnements défavorables. Ils montrent également comment les éléments constitutifs individuels des structures cellulaires—membranes, protéines et ARN - auraient pu être co-localisées dans des environnements aqueux sur l'ancienne Terre.

« Les cellules sont constituées de types de structures très différents avec des types de blocs de construction totalement différents, et il n'a jamais été clair pourquoi ils se réuniraient de manière fonctionnelle, " a déclaré l'auteur co-correspondant Roy Black, un professeur affilié UW de chimie et de bio-ingénierie. "L'hypothèse était juste que - d'une manière ou d'une autre - ils se sont réunis."

Black est venu à l'UW après une carrière chez Amgen pour avoir l'opportunité de remplir le rôle crucial, détails manquants derrière ce "d'une manière ou d'une autre". Il a fait équipe avec Sarah Keller, un professeur de chimie à l'UW et un expert en membranes. Black avait été inspiré par l'observation que les molécules d'acides gras peuvent s'auto-assembler pour former des membranes, et a émis l'hypothèse que ces membranes pourraient agir comme une surface favorable pour assembler les éléments constitutifs de l'ARN et des protéines.

"Vous pouvez imaginer différents types de molécules se déplaçant dans la soupe primordiale comme des balles de tennis floues et des balles de squash dures rebondissant dans une grande boîte qui est secouée, " dit Keller, qui est également co-auteur de l'article. "Si vous tapissez une surface à l'intérieur de la boîte avec du Velcro, alors seules les balles de tennis colleront à cette surface, et ils finiront proches l'un de l'autre. Roy a compris que les concentrations locales de molécules pouvaient être améliorées par un mécanisme similaire."

L'équipe a précédemment montré que les éléments constitutifs de l'ARN se fixent préférentiellement aux membranes des acides gras et, étonnamment, stabilisent également les membranes fragiles contre les effets néfastes du sel, un composé commun sur Terre passé et présent.

L'équipe a émis l'hypothèse que les acides aminés pourraient également stabiliser les membranes. Ils ont utilisé diverses techniques expérimentales, notamment la microscopie optique, microscopie électronique et spectroscopie - pour tester comment 10 acides aminés différents interagissent avec les membranes. Leurs expériences ont révélé que certains acides aminés se lient aux membranes et les stabilisent. Certains acides aminés ont même déclenché d'importants changements structurels dans les membranes, comme la formation de sphères concentriques de membranes, un peu comme les couches d'un oignon.

"Les acides aminés ne protégeaient pas seulement les vésicules de la perturbation par les ions magnésium, mais ils ont également créé des vésicules multicouches, comme des membranes imbriquées, " a déclaré l'auteur principal Caitlin Cornell, un étudiant au doctorat UW dans le département de chimie.

Les chercheurs ont également découvert que les acides aminés stabilisaient les membranes par des changements de concentration. Certains scientifiques ont émis l'hypothèse que les premières cellules pourraient s'être formées dans des bassins peu profonds qui ont subi des cycles de concentrations élevées et faibles d'acides aminés à mesure que l'eau s'évaporait et que de l'eau nouvelle était lavée.

Les nouvelles découvertes selon lesquelles les acides aminés protègent les membranes, ainsi que les résultats antérieurs montrant que les éléments constitutifs de l'ARN peuvent jouer un rôle similaire, indiquent que les membranes peuvent avoir été un site de colocalisation de ces molécules précurseurs, fournissant un mécanisme potentiel pour expliquer ce qui a réuni les ingrédients de la vie.

Keller, Black et son équipe se pencheront ensuite sur la façon dont les blocs de construction co-localisés ont fait quelque chose d'encore plus remarquable :ils se sont liés les uns aux autres pour former des machines fonctionnelles.

"C'est la prochaine étape, " dit Noir.

Leurs efforts continus forgent également des liens entre les disciplines à l'UW.

« L'Université de Washington est un endroit exceptionnellement bon pour faire des découvertes en raison de l'enthousiasme de la communauté scientifique à travailler en collaboration pour partager des équipements et des idées entre les départements et les domaines, " a déclaré Keller. "Nos collaborations avec le Drobny Lab et le Lee Lab ont été essentielles. Aucun laboratoire n'aurait pu tout faire."