Tout comme les récits mythiques de la création qui décrivent la formation du monde comme l'histoire de l'ordre à partir du chaos, la Terre primitive abritait un fouillis chaotique de molécules organiques à partir desquelles, en quelque sorte, des structures biologiques plus complexes telles que l'ARN et l'ADN ont émergé.

Il n'y avait pas de guide pour dicter comment les molécules de ce fouillis prébiotique devraient interagir pour former la vie. Encore, ces molécules avaient-elles simplement interagi de manière aléatoire, vraisemblablement, qu'ils n'auraient jamais eu la chance d'avoir les bonnes interactions pour finalement mener à la vie.

"La question est, parmi toutes les possibilités aléatoires, y a-t-il des règles qui régissent ces interactions ?", demande Ramanarayanan Krishnamurthy, un chimiste organique au Scripps Research Institute en Californie.

Ces règles seraient sélectives, conduisant inévitablement aux bonnes interactions pour assembler les éléments constitutifs de la vie. Pour percer les secrets de ces règles et comment le fouillis prébiotique est passé au monde biologiquement ordonné de la vie, Krishnamurthy utilise une discipline appelée « chimie des systèmes, " et a publié un article sur le sujet dans la revue Comptes de la recherche chimique qui explore cette façon relativement nouvelle de comprendre comment la vie est issue de la non-vie.

Le lauréat du prix Nobel et généticien Jack Szostak de la Harvard Medical School décrit la chimie des systèmes comme :"l'une des nouvelles manières de réfléchir aux problèmes de la chimie prébiotique". Pour comprendre le fonctionnement de la chimie des systèmes, pensez à une fiole pleine de produit chimique A, auquel un autre produit chimique, B, est ajouté et qui réagit avec A pour produire deux autres produits chimiques, C et D. Étant donné qu'aucun processus n'est efficace à 100 %, le flacon contient maintenant des produits chimiques A, B, C et D. "Alors maintenant vous avez un système, " explique Krishnamurthy. La chimie des systèmes considère le système dans son ensemble et explore les règles au sein de ce système qui régissent la façon dont chaque produit chimique interagit avec les autres, et dans des conditions différentes.

Encore, la chimie des systèmes ne se limite pas à traiter des systèmes contenant de nombreux produits chimiques, dit Szostak. "Il s'agit de réfléchir aux produits chimiques ou aux conditions susceptibles d'être disponibles et susceptibles d'être utiles." Il cite l'exemple du phosphate, qui est automatiquement présent dans les systèmes biochimiques en raison de son existence dans les briques nucléotidiques de la biologie, et est donc à portée de main pour jouer plusieurs rôles dans l'histoire de la vie, comme agir comme un catalyseur et protéger les cellules contre les changements de pH.

Bien sûr, démêler la chimie du fouillis prébiotique est loin d'expliquer les interactions de quatre produits chimiques dans un flacon. La puissance de calcul et d'analyse requise pour simuler un système aussi complexe était hors de portée il y a à peine une dizaine d'années. Au lieu, la majorité des recherches sur l'origine de la vie s'étaient auparavant concentrées sur des classes individuelles de biomolécules, le plus prometteur étant l'ARN (acide ribonucléique).

Un scénario de poule et d'œuf

La théorie du monde de l'ARN, qui est l'idée que l'ARN existait avant les cellules, face à un paradoxe. L'ARN fabrique des protéines, mais les protéines constituent également l'ARN. "Les biologistes ont pris la biologie moderne et, par souci de parcimonie, l'ont fait reculer, mais ils ont ensuite rencontré le problème de ce qui est venu en premier, protéines ou ARN ?" dit Krishnamurthy

Lorsque Thomas Cech de l'Université du Colorado a découvert en 1981 que l'ARN peut catalyser des réactions en lui-même, le problème semblait avoir été résolu. Pendant la nuit, L'importance de l'ARN dans la vie a été transformée. En étant catalytique, L'ARN pouvait lancer d'autres biochimies, y compris la formation de protéines, et devait donc passer en premier. La découverte ultérieure que c'est la molécule d'ARN dans un ribosome qui est responsable de la synthèse des protéines a donné plus de crédibilité à l'hypothèse du « monde de l'ARN ».

Le monde de l'ARN a, cependant, beaucoup de critiques ces derniers temps, ce que Krishnamurthy croit mérité. L'ARN est capable de transférer des informations génétiques dans les organismes et est constitué de chaînes de ribonucléotides. Mais il y a un hic.

"Les nucléotides ne surgissent pas seulement de mélanges chimiques, ils doivent être faits d'une manière très définie, " dit-il. " Il doit y avoir un certain ordre dans la séquence de réaction. Ce n'est pas comme l'expérience de décharge d'étincelles de Stanley Miller où il a mis tous ces gaz ensemble, appuyé sur un interrupteur et « Voila ! » »

La chimie des systèmes décrit le développement de l'ARN comme une chaîne d'événements entraînée par des interactions sélectives et la catalyse. Les ribonucléotides sont formés à partir de ribonucléosides liés au phosphate. Un nucléoside est constitué d'une nucléobase, qui est un composé azoté, lié à un monosaccharide, qui est un sucre contenant cinq atomes de carbone, appelés pentoses. Parmi la population de monosaccharides se trouvent quatre pentoses, parmi eux ribose, qui est en quelque sorte sélectivement converti en ribonucléoside au lieu des trois autres pentoses.

Bien que Szostak reconnaisse que la chimie des systèmes a le pouvoir de soutenir la théorie du monde de l'ARN, ou du moins expliquer l'origine de l'ARN, il souligne qu'un travail disproportionné a été consacré à la compréhension de la formation des nucléotides, et pas assez dans ce qui se passe après cela. "Il manque encore des étapes pour comprendre comment l'ARN pourrait être fabriqué, " dit-il. Alors, le défi maintenant pour la chimie des systèmes est de montrer comment et pourquoi chacune de ces étapes se produit.

"Il ne suffit pas de synthétiser un monomère d'ARN comme un nucléoside ou un nucléotide pour dire que vous avez trouvé l'origine de l'ARN, ", dit Krishnamurthy. "Comment assemblez-vous ces monomères d'une manière significative et autosuffisante?"

L'effet de sélection pourrait avoir lieu à une multitude de niveaux dans la création d'ARN. Peut-être que les règles de sélection sont ce qui détermine pourquoi le ribose, plutôt que les trois autres pentoses—xylose, le lyxose ou l'arabinose - est converti en nucléosides utilisés par l'ARN. Peut-être que l'effet de sélection vient en expliquant pourquoi le phosphate préfère se lier aux ribonucléosides, plutôt que tout autre nucléosides. Ou, ce sont peut-être les ribonucléotides eux-mêmes qui sont sélectionnés en étant plus efficaces que les autres nucléotides pour former des chaînes. Nous ne savons pas encore quelle est la réponse, mais Krishnamurthy pense que la chimie des systèmes est le meilleur outil pour le découvrir.

Effets de sélection

Nous trouvons des règles de sélection guidant les interactions en chimie en raison des conditions environnementales; ou des propriétés émergentes telles que l'activité catalytique, auto-assemblage et auto-réplication; ou même en raison des spécificités des réactions chimiques.

Cyanure, par exemple, prend la forme de nitriles non toxiques en biochimie, liaison avec des molécules à base de carbone pour former des molécules organiques plus complexes. C'est aussi un réactif assez pratique. Ajouter du cyanure à deux composés organiques spécifiques contenant de la cétone et de l'acide carboxylique, appelés acides céto et alcools céto, et il produit des cyanhydrines qui sont d'importants précurseurs de certains acides aminés. Cependant, dans l'eau, les cyanhydrines peuvent subir une hydrolyse et se décomposer, mais qu'ils le fassent ou non dépend du pH de cette eau. Dans un article publié en Chimie :une revue européenne , Krishnamurthy, Le collègue de Scripps Jayasudhan Yerabolu, et le chimiste du Georgia Institute of Technology, Charles Liotta, ont découvert que l'hydrolyse a lieu à un pH inférieur à 7 pour les cyanhydrines formées à partir d'acides céto, et un pH supérieur à 7 pour les cyanhydrines formées à partir de céto-alcools. Par conséquent, la survie à long terme des cyanhydrines dépend sélectivement de l'acidité ou de l'alcalinité du milieu environnant.

Un autre exemple englobant la réactivité du cyanure implique des molécules d'oxaloacétate et d'alpha-cétoglutarate, qui jouent un rôle dans le cycle de l'acide citrique (une série de réactions chimiques libérant de l'énergie utilisées par la vie respirant de l'oxygène). En présence de cyanure, l'oxaloacétate est transformé sélectivement à la place de l'alpha-cétoglutarate, pour former un dérivé d'acide hydroxy-succinique.

"Dans un mélange où vous pouvez trouver à la fois de l'oxaloacétate et de l'alpha-cétoglutarate, en ajoutant du cyanure vous pouvez transformer sélectivement l'un mais pas l'autre, " dit Krishnamurthy.

Ces exemples démontrent ce que Krishnamurthy décrit comme la transition d'une hétérogénéité hétérogène (interactions diverses dans un système de nombreuses molécules) à une hétérogénéité homogène (choix parmi diverses interactions entre relativement peu de molécules formant l'épine dorsale des systèmes de la vie, comme l'ARN). En d'autres termes, c'est l'émergence du fouillis prébiotique d'une proto-biochimie ordonnée.

"La solution semble être de passer du mélange hétérogène à ce que j'appelle l'hétérogénéité homogène, " dit Krishnamurthy. " C'est ce que notre laboratoire essaie de démontrer comme preuve de principe. "

Il y a encore un long chemin à parcourir et Krishnamurthy recommande que les progrès soient mieux réalisés à petits pas alors que les scientifiques développent cette approche ascendante de l'origine de la vie à partir du fouillis prébiotique hétérogène. En découvrant des réactions et une catalyse qui sélectionnent les bonnes interactions entre composés organiques, l'objectif est de renforcer notre compréhension de la façon dont les blocs de construction de base se sont assemblés - comment, par exemple, L'ARN a émergé du chaos.

À terme, le souhait est de construire une simulation expérimentale qui inclut toute l'hétérogénéité hétérogène du fouillis prébiotique dans une réplique de l'environnement primitif de la Terre, et ensuite exécuter cette simulation encore et encore pour voir quelles interactions sélectives sont les plus courantes et si elles peuvent répéter l'origine de la vie.

"Je suis optimiste que nous serons en mesure de trouver des voies raisonnables pour fabriquer tous les éléments constitutifs de la biologie, et pour assembler ces composants en simple, cellules primitives, " dit Szostak. " Cependant, il y a beaucoup à apprendre avant de pouvoir atteindre cet objectif ambitieux."

Tout comme le flacon qui a fini par contenir les produits chimiques A, B, C et D, les produits finaux de ces réactions sélectives pourraient commencer à interagir avec leurs produits chimiques sources, quelque chose qui n'arrive pas dans le propre, monde d'ARN isolé qui est étudié en laboratoire. Quelles solutions nouvelles et précédemment négligées attendent d'être découvertes et à quelle vitesse les petits pas nous y mèneront-ils ?

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du magazine Astrobiology de la NASA. Explorez la Terre et au-delà sur www.astrobio.net .