La biologie code des informations dans l'ADN et l'ARN, qui sont des molécules complexes finement ajustées à leurs fonctions. Mais sont-ils le seul moyen de stocker des informations moléculaires héréditaires ? Certains scientifiques pensent que la vie telle que nous la connaissons n'aurait pas pu exister avant qu'il y ait des acides nucléiques. Ainsi, comprendre comment ils sont venus à exister sur la Terre primitive est un objectif fondamental de la recherche fondamentale.

Le rôle central des acides nucléiques dans les flux d'informations biologiques en fait également des cibles clés pour la recherche pharmaceutique, et les molécules synthétiques imitant les acides nucléiques constituent la base de nombreux traitements des maladies virales, y compris le VIH. D'autres polymères de type acide nucléique sont connus, pourtant, beaucoup de choses restent inconnues concernant les alternatives possibles pour le stockage d'informations héréditaires. En utilisant des méthodes de calcul sophistiquées, des scientifiques du Earth-Life Science Institute (ELSI) du Tokyo Institute of Technology, le Centre aérospatial allemand (DLR) et l'Université Emory ont exploré le « voisinage chimique » des analogues d'acides nucléiques. Étonnamment, ils ont trouvé plus d'un million de variantes, suggérant un vaste, univers inexploré de la chimie relevant de la pharmacologie, la biochimie et les efforts pour comprendre les origines de la vie. Les molécules révélées par cette étude pourraient être encore modifiées pour produire des centaines de millions de pistes pharmaceutiques potentielles.

Les acides nucléiques ont été identifiés pour la première fois au 19ème siècle, mais leur composition, le rôle et la fonction biologiques n'ont été compris par les scientifiques qu'au 20e siècle. La découverte de la structure en double hélice de l'ADN par Watson et Crick en 1953 a révélé une explication simple des fonctions biologiques et évolutives. Tous les êtres vivants sur Terre stockent des informations dans l'ADN, qui se compose de deux brins de polymère enroulés l'un autour de l'autre comme un caducée, avec chaque brin complétant l'autre. Lorsque les brins sont séparés, la copie du complément sur l'un ou l'autre des modèles donne deux copies de l'original. Le polymère d'ADN lui-même est composé d'une séquence de "lettres, " les bases adénine (A), guanine (G), cytosine (C) et thymine (T), et les organismes vivants ont développé des moyens de s'assurer que la séquence de lettres appropriée est presque toujours reproduite lors de la copie d'ADN. La séquence de bases est copiée en ARN par des protéines, qui est ensuite lu dans une séquence protéique. Les protéines elles-mêmes permettent une multitude de processus chimiques finement réglés qui rendent la vie possible.

De petites erreurs se produisent parfois lors de la copie d'ADN, et d'autres sont parfois introduits par des mutagènes environnementaux. Ces petites erreurs sont le fourrage pour la sélection naturelle :certaines de ces erreurs se traduisent par des séquences qui produisent des organismes plus aptes, bien que la plupart aient peu d'effet; cependant, beaucoup peuvent s'avérer mortelles. La capacité des nouvelles séquences à favoriser la survie de l'hôte est le « cliquet » qui permet à la biologie de s'adapter aux défis en constante évolution de l'environnement. C'est la raison sous-jacente du kaléidoscope des formes biologiques sur Terre, des humbles bactéries aux tigres :les informations stockées dans les acides nucléiques permettent une "mémoire" en biologie. Mais l'ADN et l'ARN sont-ils les seuls moyens de stocker ces informations ? Ou sont-ils peut-être juste le meilleur moyen, découvert seulement après des millions d'années de bricolage évolutif ?

"Il existe deux sortes d'acides nucléiques en biologie, et peut-être 20 ou 30 analogues d'acide nucléique efficaces se liant aux acides nucléiques. Nous voulions savoir s'il en restait un ou même un million de plus. La réponse est, il semble y avoir beaucoup plus que prévu, " déclare le professeur Jim Cleaves de l'ELSI.

Bien que les biologistes ne les considèrent pas comme des organismes, les virus utilisent également des acides nucléiques pour stocker leurs informations héréditaires, bien que certains virus utilisent l'ARN, une légère variante sur l'ADN, comme système de stockage moléculaire. L'ARN diffère de l'ADN par la présence d'une seule substitution d'atome, mais globalement, L'ARN joue selon des règles moléculaires très similaires à celles de l'ADN. Ce qui est remarquable, c'est que ces deux molécules sont essentiellement les seules utilisées parmi l'incroyable variété d'organismes sur Terre.

Les biologistes et les chimistes se demandent depuis longtemps pourquoi cela devrait être le cas. Sont-ce les seules molécules qui pourraient remplir cette fonction ? Si non, sont-ils peut-être les meilleurs ? D'autres molécules ont-elles joué un jour ce rôle au cours de l'évolution et ont-elles ensuite été sélectionnées pour l'extinction ?

L'importance centrale des acides nucléiques en biologie en a également longtemps fait des cibles médicamenteuses pour les chimistes. Si un médicament peut inhiber la capacité d'un organisme ou d'un virus à produire une descendance infectieuse similaire, il tue efficacement les organismes ou le virus. Détruire l'hérédité d'un organisme ou d'un virus est un excellent moyen de le mettre à mort. Heureusement, la machinerie cellulaire qui gère la copie des acides nucléiques dans chaque organisme est légèrement différente, et dans les virus, souvent très différent.

Organismes à gros génomes, comme les humains, doivent faire très attention à ne pas copier leurs informations héréditaires, et sont donc très sélectifs pour éviter les mauvais précurseurs lors de la copie de leurs acides nucléiques. Inversement, virus, qui ont généralement des génomes beaucoup plus petits, sont beaucoup plus tolérants à utiliser des molécules similaires mais légèrement différentes pour se copier. Cela signifie des produits chimiques qui sont similaires aux éléments constitutifs des acides nucléiques, connu sous le nom de nucléotides, peut parfois altérer la biochimie d'un organisme plus qu'un autre. La plupart des médicaments antiviraux importants utilisés aujourd'hui sont des analogues nucléotidiques ou nucléosidiques, y compris ceux utilisés pour traiter le VIH, herpès et hépatite virale. De nombreux médicaments anticancéreux importants sont également des analogues nucléotidiques ou nucléosidiques, car les cellules cancéreuses ont parfois des mutations qui les obligent à copier les acides nucléiques de manière inhabituelle.

"Essayer de comprendre la nature de l'hérédité, et comment autrement cela pourrait-il être incarné, est à peu près la recherche la plus fondamentale que l'on puisse faire, mais il a aussi des applications pratiques très importantes, " dit le co-auteur Chris Butch, anciennement d'ELSI et maintenant professeur à l'Université de Nanjing.

Puisque la plupart des scientifiques croient que la base de la biologie est l'information héréditaire, sans laquelle la sélection naturelle serait impossible, les scientifiques évolutionnistes qui étudient les origines de la vie se sont également concentrés sur les moyens de fabriquer de l'ADN ou de l'ARN à partir de produits chimiques simples qui auraient pu se produire spontanément sur la Terre primitive. La plupart des scientifiques pensent que l'ARN a évolué avant l'ADN pour des raisons chimiques subtiles. L'ADN est donc beaucoup plus stable que l'ARN, et l'ADN est devenu le disque dur de la vie. Cependant, la recherche dans les années 1960 a rapidement divisé le domaine des origines théoriques en deux :ceux qui considéraient l'ARN comme la simple réponse du « rasoir d'Occam » au problème des origines de la biologie et ceux qui voyaient les nombreux défauts dans l'armure de la synthèse abiologique de l'ARN. L'ARN est encore une molécule compliquée, et il est possible que des molécules structurellement plus simples aient pu le remplacer avant son apparition.

Co-auteur Dr Jay Goodwin, un chimiste de l'Université Emory dit, « C'est vraiment passionnant d'envisager le potentiel de systèmes génétiques alternatifs basés sur ces nucléosides analogues – que ceux-ci pourraient éventuellement avoir émergé et évolué dans des environnements différents, peut-être même sur d'autres planètes ou lunes de notre système solaire. Ces systèmes génétiques alternatifs pourraient étendre notre conception du « dogme central » de la biologie dans de nouvelles directions évolutives, en réponse et robuste aux environnements de plus en plus difficiles ici sur Terre. »

Quelle molécule est arrivée en premier ? Qu'est-ce qui rend l'ARN et l'ADN uniques ? Il est difficile d'explorer ces questions fondamentales en fabriquant physiquement des molécules en laboratoire. D'autre part, calculer des molécules avant de les fabriquer pourrait potentiellement faire gagner beaucoup de temps aux chimistes. "Nous avons été surpris par le résultat de ce calcul, " explique le co-auteur Dr Markus Meringer. " Il serait très difficile d'estimer a priori qu'il existe plus d'un million d'échafaudages d'acide nucléique. Maintenant, nous savons, et nous pouvons commencer à tester certains d'entre eux en laboratoire."

"Il est absolument fascinant de penser qu'en utilisant des techniques informatiques modernes, nous pourrions tomber sur de nouveaux médicaments lors de la recherche de molécules alternatives à l'ADN et à l'ARN qui peuvent stocker des informations héréditaires. Ce sont des études interdisciplinaires comme celle-ci qui rendent la science stimulante et amusante mais percutante, " dit le co-auteur Dr Pieter Burger, également de l'Université Emory.