Sur une paillasse de laboratoire, une poignée de flacons en verre scotchés à une bascule oscillent doucement d'avant en arrière. A l'intérieur des flacons, un mélange de produits chimiques organiques et de minuscules particules d'or des fous soulève une question apparemment au-delà de leur humble apparence :d'où vient la vie ?

Alliant théorie et expérimentation, Les scientifiques de l'Université du Wisconsin-Madison tentent de comprendre comment la vie peut naître de la non-vie. Des chercheurs de l'UW-Madison Wisconsin Institute for Discovery mènent des expériences pour tester l'idée que des réactions chimiques réalistes pourraient se développer facilement dans les bonnes conditions. Le travail aborde certains des mystères les plus profonds de la biologie, et a des implications pour comprendre à quel point la vie peut être commune dans l'univers.

David Baum, président et professeur de botanique à l'UW-Madison et Discovery Fellow à WID, pense que la vie la plus ancienne aurait pu reposer sur un métabolisme primitif qui a commencé à l'origine sur des surfaces minérales. De nombreuses réactions centrales dans les cellules modernes reposent sur des catalyseurs fer-soufre. Cette dépendance au fer et au soufre pourrait être un record gravé dans les cellules des environnements où le métabolisme lui-même a évolué pour la première fois. Baum teste cette idée en se tournant vers la pyrite de fer, un minéral de fer et de soufre mieux connu sous le nom d'or des fous.

Avec Mike Berg, un étudiant diplômé à la recherche des origines de la vie, Baum mélange des billes microscopiques de pyrite de fer avec une source d'énergie chimique et de simples blocs de construction moléculaire. Pendant que les flacons de ce mélange oscillent dans le laboratoire, de petits groupes de produits chimiques liés à la surface minérale pourraient s'agréger et commencer à s'entraider pour produire plus de produits chimiques. Si c'est le cas, ils sont susceptibles de se propager à d'autres billes de pyrite de fer, coloniser de nouvelles surfaces.

Lorsque Berg transfère des billes dans un nouveau flacon, les groupes chimiques pourraient continuer à se répandre. Génération après génération, flacon après flacon, les mélanges chimiques les plus efficaces et les plus compétitifs coloniseraient le plus de pyrite de fer. C'est la sélection. Comme la sélection naturelle, qui a créé la diversité et la complexité de la vie sur Terre, la sélection pour la capacité de colonisation de ces groupes chimiques peut révéler des cycles chimiques réalistes capables de changer au fil du temps.

"L'opinion à laquelle je suis parvenu est qu'une chimie réaliste peut apparaître relativement facilement dans de nombreux, de nombreux contextes géologiques, " dit Baum. " Le problème change alors. Ce n'est plus un problème de 'est-ce que ça arrivera, ' mais comment saurons-nous que c'est arrivé ?"

Ils ont traversé plus de 30 générations jusqu'à présent, et sont à la recherche de tout signe de changement dans le temps, qu'il s'agisse de production de chaleur, la consommation d'énergie ou la quantité de matière liée aux billes.

Le microbiologiste et biologiste des systèmes WID de Baum et UW-Madison, Kalin Vetsigian, a publié l'année dernière un article décrivant les expériences, qui reposent en partie sur le principe de la sélection des quartiers. Normalement, la sélection naturelle opère sur une population d'individus. Mais les scientifiques ont proposé que même si aucun individu bien défini n'existe dans les mélanges chimiques, les communautés moléculaires les plus aptes à coloniser de nouvelles surfaces prévaudront, et probablement s'améliorer avec le temps. Les traits réussis de la communauté dans son ensemble peuvent être sélectionnés et transmis.

"Cette sélection au niveau communautaire aurait pu avoir lieu avant qu'il y ait des individus avec des traits à la fois héritables et variables, " dit Vetsigian. " Si vous avez de bonnes communautés, ils persisteront."

Le projet a récemment reçu 2,5 millions de dollars de financement de la NASA. Baum est le chercheur principal de la recherche, qui comprend Vetsigian, Tehshik Yoon, chimiste de l'UW-Madison, et des collaborateurs de sept autres institutions.

Les cellules ont besoin des types de réactions métaboliques que Baum étudie pour produire de l'énergie et les composants de molécules plus complexes. Ils ont également besoin d'un moyen de stocker des informations. Toutes les cellules vivantes transmettent leur information génétique avec l'ADN. Mais John Yin, professeur de génie chimique et biologique à l'UW-Madison et biologiste des systèmes WID, explore d'autres moyens de stocker et de traiter les informations avec des molécules plus simples afin de comprendre comment le stockage des informations pourrait évoluer sans cellules ni ADN.

En s'inspirant de l'informatique, Yin travaille avec la méthode la plus basique d'encodage des informations, binaire. Au lieu de bits électroniques, ses uns et ses zéros sont les deux acides aminés les plus simples, glycine et alanine. En utilisant une forme unique de chimie, Le Yin dessèche les mélanges d'acides aminés pour les encourager à se joindre.

"Nous voyons différentes chaînes d'alanine et de glycine de manière reproductible dans différents types de conditions, " explique Yin. " C'est donc un premier indice que, d'une certaine manière, le produit est une façon de représenter un environnement particulier. "

Le groupe de Yin travaille sur la tâche techniquement difficile de lire ces séquences d'acides aminés afin qu'ils puissent garder une trace de l'information moléculaire. Le laboratoire Yin espère finalement découvrir des groupes de produits chimiques qui peuvent s'appuyer sur cette information moléculaire pour se reproduire. Pour Baum et Yin, les systèmes sélectionnables nécessitent ces cycles de produits chimiques capables de faire plus les uns des autres, ce que Yin appelle "fermer la boucle".

Il sera probablement difficile de boucler la boucle en laboratoire. Seule l'expérimentation le dira avec certitude.

Yin, Baum et Vetsigian ne s'intéressent pas seulement à la façon dont la vie sur Terre a commencé, mais comment cela pourrait-il commencer, n'importe où. Si des réactions chimiques réalistes et des informations moléculaires sont facilement produites en laboratoire, cela pourrait changer le calcul de la vie commune sur d'autres mondes.

"Si nous trouvons de nombreuses chimies différentes soutenant des réactions réalistes, nous pouvons nous attendre à plus d'origines de la vie ailleurs dans l'univers, " dit Baum.