La vie sur Terre est née d'un partenariat intime entre les acides nucléiques (instructions génétiques pour tous les organismes) et de petites protéines appelées peptides, selon deux nouveaux articles de biochimistes et de biologistes de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill et de l'Université d'Auckland. Leur hypothèse "peptide-ARN" contredit l'hypothèse largement répandue "ARN-monde", qui affirme que la vie est issue d'acides nucléiques et n'a évolué que plus tard pour inclure des protéines.

Les nouveaux journaux - un sur Biologie moléculaire et évolution , l'autre dans Biosystems - montre comment les récentes études expérimentales de deux superfamilles d'enzymes surmontent les questions théoriques difficiles sur la façon dont la vie complexe a émergé sur Terre il y a plus de quatre milliards d'années.

"Jusqu'à maintenant, on a pensé qu'il était impossible de mener des expériences pour pénétrer les origines de la génétique, " a déclaré le co-auteur Charles Carter, Doctorat, professeur de biochimie et de biophysique à l'UNC School of Medicine. "Mais nous avons maintenant montré que les résultats expérimentaux s'harmonisent parfaitement avec la théorie" peptide-ARN ", et donc ces expériences fournissent des réponses assez convaincantes à ce qui s'est passé au début de la vie sur Terre."

Les attributs particuliers des versions ancestrales de ces superfamilles d'enzymes, et le système de rétroaction auto-renforçant qu'ils auraient formé avec les premiers gènes et protéines, aurait lancé la biologie précoce et conduit les premières formes de vie vers une plus grande diversité et complexité, les chercheurs ont dit.

Co-auteur Peter Wills, Doctorat, professeur de physique à l'université d'Auckland, mentionné, "Par rapport à l'hypothèse ARN-monde, ce que nous avons décrit est simplement un scénario beaucoup plus probable pour l'origine de la vie. Nous espérons que nos données et la théorie que nous avons exposée dans ces articles stimuleront la discussion et la poursuite des recherches sur les questions relatives aux origines de la vie. »

Les deux scientifiques sont pleinement conscients que l'hypothèse du monde ARN domine toujours le domaine de la recherche sur l'origine de la vie. "Cette théorie est si séduisante et opportune que la plupart des gens pensent qu'il n'y a pas d'alternative, " a déclaré Carter. " Mais nous sommes très confiants qu'il existe. "

Avant qu'il y ait de la vie sur Terre, il y avait des produits chimiques simples. En quelque sorte, ils ont produit à la fois des acides aminés et des nucléotides qui sont finalement devenus les protéines et les acides nucléiques nécessaires pour créer des cellules individuelles. Et les cellules individuelles sont devenues des plantes et des animaux. La recherche de ce siècle a révélé comment la soupe chimique primordiale a créé les éléments constitutifs de la vie. Il existe également un large consensus scientifique sur la voie historique par laquelle les cellules ont évolué en plantes et en animaux.

Mais c'est toujours un mystère comment les blocs de construction d'acides aminés ont été assemblés pour la première fois selon des modèles d'acides nucléiques codés dans les protéines qui ont formé la machinerie de toutes les cellules.

La théorie largement acceptée de l'ARN-monde postule que l'ARN - la molécule qui joue aujourd'hui un rôle dans le codage, régulateur, et exprimant des gènes - s'est élevé de la soupe primordiale d'acides aminés et de produits chimiques cosmiques, finalement pour donner naissance d'abord à de courtes protéines appelées peptides, puis à des organismes unicellulaires.

Carter et Wills soutiennent que l'ARN ne pourrait pas lancer ce processus seul car il lui manque une propriété qu'ils appellent « réflexivité ». Il ne peut pas faire respecter les règles par lesquelles il est fait. L'ARN avait besoin de peptides pour former la boucle de rétroaction réflexive nécessaire pour finalement conduire à des formes de vie.

Au cœur de la théorie des peptides-ARN se trouvent des enzymes si anciennes et si importantes que leurs restes se trouvent encore dans toutes les cellules vivantes et même dans certaines structures sous-cellulaires, y compris les mitochondries et les virus. Il existe 20 de ces anciennes enzymes appelées aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS).

Chacun d'eux reconnaît l'un des 20 acides aminés qui servent de blocs de construction aux protéines. (Protéines, considéré comme les machines de la vie, catalyser et synchroniser les réactions chimiques à l'intérieur des cellules.) Dans les organismes modernes, un aaRS lie efficacement son acide aminé assigné à une chaîne d'ARN contenant trois nucléotides complémentaires à une chaîne similaire dans le gène transcrit. Les aaRS jouent ainsi un rôle central dans la conversion des gènes en protéines, un processus appelé traduction qui est essentiel pour toutes les formes de vie.

Les 20 enzymes aaRS appartiennent à deux familles structurellement distinctes, chacun avec 10 aaRS. Les études expérimentales récentes de Carter ont montré que les deux petits ancêtres enzymatiques de ces deux familles étaient codés par opposé, brins complémentaires du même petit gène. La simplicité de cette disposition, avec son code binaire initial de seulement deux types d'acides aminés, suggère que cela s'est produit à l'aube même de la biologie. De plus, le serré, L'interdépendance yin-yang de ces deux enzymes apparentées mais très distinctes aurait stabilisé la biologie primitive d'une manière qui rendrait inévitable la diversification ordonnée de la vie qui s'ensuivit.

"Ces peptides interdépendants et les acides nucléiques qui les codent auraient pu s'aider mutuellement à s'auto-organiser malgré les perturbations aléatoires continuelles qui assaillent tous les processus moléculaires, " a déclaré Carter. " Nous pensons que c'est ce qui a donné naissance à un monde peptide-ARN au début de l'histoire de la Terre, " dit Carter.

Recherche connexe par Carter et son collègue de l'UNC Richard Wolfenden, Doctorat, précédemment révélé comment la chimie intime des acides aminés a permis aux premières enzymes aaRS de se replier correctement en enzymes fonctionnelles, tout en déterminant simultanément les affectations dans le tableau de codage génétique universel.

"L'application de la relation entre les gènes et les acides aminés dépend des aaRS, qui sont eux-mêmes codés par des gènes et constitués d'acides aminés, " Wills a dit. " Les aaRS, à son tour, dépendent de cette même relation. Il y a ici une réflexivité de base à l'œuvre. Le théoricien Douglas Hofstadter a appelé cela une « boucle étrange ». Nous proposons que ceci, trop, a joué un rôle crucial dans l'auto-organisation de la biologie lorsque la vie a commencé sur Terre. Hofstadter a soutenu que la réflexivité fournit la force motrice de la croissance de la complexité. »

Carter et Wills ont développé deux raisons supplémentaires pour lesquelles une biologie de l'ARN pur de quelque importance était peu susceptible d'avoir précédé une biologie peptide-ARN. L'une des raisons est la catalyse - l'accélération des réactions chimiques impliquant d'autres molécules.

La catalyse est une caractéristique clé de la biologie que l'ARN ne peut pas exécuter avec une grande polyvalence. En particulier, Les enzymes à ARN ne peuvent pas facilement ajuster leurs activités aux changements de température susceptibles de se produire lors du refroidissement de la terre, et ne peut donc pas effectuer la très large gamme d'accélérations catalytiques qui auraient été nécessaires pour synchroniser la biochimie des premières formes de vie à base de cellules. Seules les enzymes peptidiques ou protéiques ont ce genre de polyvalence catalytique, dit Carter.

Deuxièmement, Wills a montré que des obstacles impossibles auraient bloqué toute transition d'un monde à ARN pur à un monde à ARN protéique et vers la vie.

"Une telle ascension de l'ARN à la vie cellulaire aurait nécessité l'apparition inattendue d'une protéine de type aaRS qui fonctionnait encore mieux que son homologue ARN adapté, " a déclaré Carter. " Cet événement extrêmement improbable aurait dû se produire non pas une seule fois, mais plusieurs fois - une fois pour chaque acide aminé dans le code gène-protéine existant. Cela n'a tout simplement pas de sens."

Ainsi, parce que la nouvelle théorie de Carter-Wills aborde en fait de vrais problèmes de l'origine de la vie qui sont cachés par l'opportunité de l'hypothèse ARN-monde, c'est en fait un compte rendu beaucoup plus simple de la façon dont les choses se sont probablement passées juste avant que la vie sur Terre ne sorte de la soupe primordiale.