Dans un projet financé par le Fonds autrichien pour la science FWF, le biochimiste Markus Keller a démontré avec succès combien d'importants mécanismes métaboliques pouvaient se développer dans les cellules il y a quatre milliards d'années. Ses recherches fournissent des informations complètement nouvelles sur l'origine de la vie.
L'origine de la vie est peut-être le plus grand mystère de la science. On ne comprend toujours pas correctement comment quelque chose d'aussi complexe a pu évoluer à partir de la nature inanimée. Le biochimiste Markus Keller de l'Université de médecine d'Innsbruck a maintenant apporté une contribution importante à notre compréhension de la façon dont la vie s'est développée sur Terre. Une bourse Erwin-Schrödinger de la FWF a permis à Keller de faire des recherches à l'étranger. Au cours de ses travaux, il a exploré le développement de certains processus très anciens et complexes du métabolisme cellulaire. – Des processus vieux de près de quatre milliards d'années que l'on retrouve également dans l'organisme humain.
"Le point crucial ici est de savoir comment le métabolisme a commencé en premier lieu", dit Keller. "Dans certains endroits de notre planète, il y a des sédiments très anciens montrant que la vie a commencé il y a plus de 3,7 milliards d'années. À partir de ces sédiments, nous ne pouvons pas, cependant, conclure exactement sous quelle forme la vie existait et quelles étaient ses caractéristiques. Nous savons juste qu'il doit y avoir eu une sorte d'activité métabolique", note Keller.
Certaines voies métaboliques sont identiques dans presque tous les organismes vivants de la planète. Un exemple est la glycolyse, la transformation du sucre. "Les plantes, les bactéries et autres organismes vivants utilisent le glucose de la même manière que nous le faisons nous-mêmes. Nous pouvons supposer que les processus étaient les mêmes dans les formes de vie existant aux tout premiers stades de l'évolution. La question est la suivante :comment ces formes de vie pourraient-elles interconvertir les produits intermédiaires de la glycolyse ?"
Le mystère des enzymes manquantes
Le métabolisme cellulaire est un système complexe qui dépend d'un certain nombre d'enzymes. – Ces protéines spéciales servent de catalyseurs, et certains processus ne seraient pas possibles sans eux. S'il manque une enzyme, tout le cycle ne fonctionne pas. Comme l'explique Keller, c'est un problème de poule ou d'œuf :qu'est-ce qui est arrivé en premier ? Les enzymes, quels sont les produits métaboliques eux-mêmes ? Ou le métabolisme, qui ne fonctionne pas sans enzymes ? Il y a seulement quelques années, l'idée que plusieurs de ces mécanismes métaboliques auraient pu fonctionner sans enzymes, simplement en raison des conditions environnementales qui prévalent, a été dénigré comme "pensée magique". Mais ce sont précisément ces processus dont Keller a pu démontrer l'existence.
Importance du fer dans l'océan archéen
Ses premiers articles portaient sur la glycolyse et ce qu'on appelle la "voie pentose-phosphate". "Au moment où la vie a dû commencer, l'océan archéen était relativement chaud et contenait beaucoup de fer à l'état dissous", explique Keller. Dans des circonstances normales, le fer n'est pas soluble dans l'eau sous sa forme oxydée, c'est-à-dire la rouille. Il y a environ quatre milliards d'années, il y avait, cependant, presque pas d'oxygène pur dans l'atmosphère ou dans l'océan qui aurait favorisé l'oxydation du fer. Par conséquent, il existait de grandes quantités de fer (II), ou fer ferreux, qui se dissout facilement dans l'eau. "Nous avons simulé les conditions régnant dans l'océan archéen et regardé comment, par exemple, fructose-6-phosphate, un produit intermédiaire du métabolisme cellulaire, réagirait dans cet environnement. L'une des choses que nous avons trouvées, c'est qu'il se transforme en glucose-6-phosphate, exactement la même séquence de réactions et de voies de réaction que dans la cellule vivante. Dans les premières publications, nous avons montré que cela se produit d'une manière étonnamment efficace avec très peu de réactions secondaires. Il en résulte exactement les bonnes molécules. »
Les processus métaboliques d'abord, enzymes suivant
Pour cette raison, l'océan archéen était un environnement absolument idéal pour ces réactions métaboliques très anciennes. Et c'est là que réside la solution à ce problème particulier de la poule ou de l'œuf :les voies métaboliques chimiques étaient là en premier, et les enzymes se sont développées plus tard. Keller n'a pu démontrer que récemment une situation similaire pour le "cycle de l'acide citrique" (CAC), une autre partie importante du métabolisme cellulaire. Ses réactions individuelles peuvent également se dérouler en l'absence d'enzymes. Analogue aux cellules modernes, où la glycolyse et le CAC, qui est situé dans les mitochondries cellulaires, courir séparément dans des milieux différents, leurs homologues non enzymatiques ont également besoin de milieux chimiques différents pour fonctionner efficacement. De cette façon, le chercheur a montré que les observations faites en relation avec la glycolyse s'appliquaient également à d'autres voies métaboliques importantes.
De nouvelles méthodes déclenchent des idées
Keller a pu faire ces observations en utilisant des méthodes de spectrométrie de masse qu'il a développées lors de sa bourse Schrödinger à l'Université de Cambridge. La spectrométrie de masse est une méthode de mesure extrêmement sensible impliquant la décomposition de substances en leurs molécules ou atomes individuels afin de déterminer leur masse. Keller a initialement examiné comment les composants des cellules de levure pouvaient être analysés au moyen de la spectrométrie de masse, car elle était non seulement très précise, mais promettait également des avantages supplémentaires par rapport aux autres méthodes. La levure est l'un des organismes modèles les plus importants de la biologie, et le travail de Keller était une recherche fondamentale dans le but de développer une méthodologie pour d'autres types de recherche. Il a développé l'idée de regarder l'origine évolutive du métabolisme cellulaire avec le microbiologiste Markus Ralser, chef du groupe de recherche de Cambridge dont Keller était membre. Ils ont également demandé à Alexandra Turchyn, un expert des océans archéens, de se joindre à eux et a publié le premier article sur cette question.
Observations secondaires importantes
"En fait je n'ai jamais prévu que mes recherches aillent dans cette direction", dit Keller. "L'étude initiale réalisée sur le métabolisme de la levure est maintenant également en attente de publication. Mais il était important que j'aie la liberté d'examiner ces choses. Au début, ce n'était qu'une ligne de côté." Keller souligne que certains de ces effets ont probablement été mesurés dans d'autres études en tant qu'effets secondaires mais n'ont pas été rapportés en détail. "Ces réactions se produisent encore dans les cellules aujourd'hui", observe Keller. Il encourage les groupes actifs dans ce domaine à examiner de plus près ce qu'ils peuvent interpréter à tort comme des erreurs de mesure.
