Essayer d'expliquer comment l'ADN et l'ARN ont évolué pour former des spirales aussi nettes a été une énigme notoire en science. Mais une nouvelle étude suggère que la rotation s'est peut-être produite avec facilité il y a des milliards d'années, lorsque les ancêtres chimiques de l'ARN ont filé avec désinvolture en brins en spirale.

Dans le laboratoire, les chercheurs du Georgia Institute of Technology ont été surpris de les voir le faire dans des conditions que l'on croyait communes sur Terre juste avant que la première vie n'évolue :dans l'eau plate, sans catalyseurs, et à température ambiante.

La spirale soignée a également intégré avec élégance un autre composé qui forme aujourd'hui l'épine dorsale de l'ARN et de l'ADN. La structure résultante avait des caractéristiques qui ressemblaient fortement à l'ARN.

Des rebondissements

L'étude a fait un pas de plus vers la réponse à une question sur l'œuf de poule sur le chemin évolutif qui a conduit à l'ARN (à partir duquel l'ADN a évolué plus tard) :la spirale est-elle venue en premier, et cette structure a-t-elle influencé les composants moléculaires qui l'ont transformé plus tard en ARN parce qu'ils s'intègrent bien dans la spirale ?

"La spirale aurait pu avoir un effet de renforcement. Cela aurait pu faciliter la connexion des molécules qui ont la même chiralité (courbe) pour se connecter en une épine dorsale commune compatible avec la torsion hélicoïdale, " a déclaré le chercheur principal de l'étude, Nicholas Hud, un professeur Regents à l'école de chimie et de biochimie de Georgia Tech.

Les chercheurs ont publié la nouvelle étude dans la revue Angewandte Chemie en décembre 2018. La recherche a été financée par la National Science Foundation et le programme d'astrobiologie de la NASA dans le cadre du Center for Chemical Evolution. Le centre a son siège à Georgia Tech, et Hud est son chercheur principal.

Les polymères résultants de l'étude n'étaient pas de l'ARN mais auraient pu être une étape intermédiaire importante dans l'évolution précoce de l'ARN. Pour les blocs de construction, les chercheurs ont utilisé des molécules de base appelées « proto-nucléobases, « fortement soupçonnés d'être des précurseurs de nucléobases, principaux composants qui transportent le code génétique dans l'ARN d'aujourd'hui.

Paradoxe de la nucléobase

L'étude devait contourner un paradoxe de l'évolution chimique :

Faire de l'ARN ou de l'ADN en utilisant leurs bases nucléiques réelles en laboratoire sans l'aide des enzymes des cellules vivantes qui font habituellement ce travail est plus qu'une tâche herculéenne. Ainsi, bien que l'ARN et l'ADN soient omniprésents sur Terre maintenant, leur évolution sur la Terre pré-vie semble avoir été une anomalie nécessitant des convergences erratiques de conditions extrêmes.

Par contre, le modèle d'évolution chimique des chercheurs de Georgia Tech soutient que les nucléobases précurseurs s'auto-assemblent facilement en prototypes ancestraux - qui ressemblaient à des polymères et appelés assemblages - qui ont ensuite évolué en ARN.

« Nous appellerions ces « proto-nucléobases » ou « nucléobases ancestrales », '", a déclaré Hud. "Pour notre modèle global d'évolution chimique, nous disons que ces proto-nucléobases, qui s'auto-assemblent en ces longs brins, aurait pu faire partie d'une étape très précoce avant l'incorporation des bases nucléiques modernes. »

L'une des principales proto-nucléobases suspectées dans cette expérience - et dans des expériences précédentes sur l'évolution possible de l'ARN - était la triaminopyrimidine (TAP). L'acide cyanurique (AC) en était un autre. Les chercheurs soupçonnent fortement que TAP et CA faisaient partie d'un proto-ARN.

Les liaisons chimiques qui maintiennent ensemble les assemblages des deux proto-nucléobases suspectées étaient étonnamment fortes mais non covalentes, ce qui revient à connecter deux aimants. Dans l'ARN, les principales liaisons qui maintiennent ensemble les nucléobases modernes sont des liaisons covalentes, semblable à la soudure, et les enzymes font ces liaisons dans les cellules aujourd'hui.

Biais hélicoïdaux

Une hélice peut spiraler de deux manières, gaucher ou droitier. En chimie, une molécule peut aussi être remise, ou chiral, faire pour les formes "L" ou "D" de la molécule.

Incidemment, les éléments constitutifs de l'ARN et de l'ADN d'aujourd'hui sont tous de la forme D, qui forment une hélice à droite. Pourquoi ils ont évolué comme ça est encore un mystère.

Les lots de TAP et de CA avec lesquels les chercheurs ont commencé ont produit des quantités à peu près égales d'hélices droites et gauches, mais quelque chose ressortait :des régions entières d'un lot étaient biaisées dans une direction et étaient séparées des autres régions qui tournaient principalement dans l'autre sens.

"La propension des molécules à choisir une direction hélicoïdale était si forte que de grandes régions des lots étaient composées principalement d'assemblages tordus de manière unidirectionnelle, " a déclaré Hud.

C'était surprenant car les molécules individuelles de TAP et CA n'avaient pas de chiralité propre, ni L ni D. Pourtant, les torsions avaient une direction privilégiée.

'record du monde'

Les chercheurs ont ajouté deux autres expériences pour tester à quel point leurs assemblages de type ARN préféraient fabriquer des hélices à une main.

D'abord, ils ont introduit un tout petit peu de composés similaires à TAP et CA, mais qui avait une chiralité L ou D, pour pousser la direction de la spirale. L'ensemble du lot était conforme à la chiralité de l'additif respectif, résultant en des assemblages se tordant dans une direction unifiée comme le font les hélices dans l'ARN et l'ADN aujourd'hui.

"C'était le nouveau record du monde pour la plus petite quantité d'un dopant chiral (additif) qui renverserait toute une solution, " dit Suneesh Karunakaran, le premier auteur de l'étude et un chercheur diplômé du laboratoire de Hud. "Cela a démontré à quel point il serait facile dans la nature d'obtenir des quantités abondantes d'hélices unifiées."

Seconde, ils ont associé le composé de sucre ribose-5-phosphate au TAP pour émuler plus étroitement les éléments constitutifs actuels de l'ARN. Le ribose s'est mis en place, et l'assemblage résultant a spiralé dans une direction dictée par la chiralité du ribose.

"Cette molécule a facilement formé un assemblage de type ARN qui était étonnamment stable, même si les pièces n'étaient maintenues ensemble que par des liaisons non covalentes, " a déclaré Karunakaran.

Révolution de l'évolution

Les résultats de l'étude dans des conditions aussi simples représentent un bond en avant dans les preuves expérimentales de la façon dont la torsion hélicoïdale des biomolécules aurait déjà pu être en place bien avant l'émergence de la vie.

La recherche élargit également un corpus croissant de preuves soutenant une hypothèse non conventionnelle du Center for Chemical Evolution, qui dispense du besoin d'un récit selon lequel des cataclysmes rares et des ingrédients improbables étaient nécessaires pour produire les premiers éléments constitutifs de la vie.

Au lieu, la plupart des biomolécules sont probablement apparues en plusieurs étapes graduelles, au calme, des plaines de terre battues par la pluie ou des rochers au bord du lac baignés par les vagues. Des molécules précurseurs avec la bonne réactivité ont permis ces étapes facilement et ont produit des matériaux abondants pour d'autres étapes évolutives.

Ingénieur de sous-sol

Dans le laboratoire, L'auto-assemblage en hélice était si productif qu'il dépassait la capacité d'un appareil de détection à examiner la sortie. Des régions d'un millimètre carré ou plus étaient remplies d'assemblages de type polymère en spirale unidirectionnelle.

"Pour les regarder, j'ai dû faire des réglages sur le matériel, " dit Karunakaran. " J'ai percé des trous dans une feuille et je l'ai placée devant le faisceau de notre spectropolarimètre. "

Cela a fonctionné mais avait besoin d'amélioration, Hud s'est donc rendu dans son sous-sol à la maison pour construire un scanner automatisé capable de gérer les résultats abondants de l'expérience. Il a révélé de grandes régions d'hélices avec la même maniabilité.