Des assemblages sans membrane de molécules chargées positivement et négativement peuvent rassembler des molécules d'ARN dans des gouttelettes liquides denses, permettant aux ARN de participer à des réactions chimiques fondamentales. Ces assemblées, appelés « coacervats complexes, " améliorent également la capacité de certaines molécules d'ARN elles-mêmes à agir comme des enzymes - des molécules qui entraînent des réactions chimiques. Elles le font en concentrant les enzymes d'ARN, leurs substrats, et d'autres molécules nécessaires à la réaction. Les résultats des tests et de l'observation de ces coacervats fournissent des indices pour reconstruire certaines des premières étapes nécessaires à l'origine de la vie sur Terre dans ce que l'on appelle le « monde de l'ARN » prébiotique. Un article décrivant la recherche, par des scientifiques de Penn State, paraît le 30 janvier 2019 dans la revue Communication Nature .

"Nous nous intéressons à la façon dont vous passez d'un monde sans vie à un monde avec vie, " a déclaré Philip C. Bevilacqua, Professeur émérite de chimie et de biochimie et biologie moléculaire à Penn State et l'un des auteurs principaux de l'article. "On peut imaginer beaucoup d'étapes dans ce processus, mais nous ne regardons pas les étapes les plus élémentaires. Nous nous intéressons à une étape un peu plus tardive, pour voir comment les molécules d'ARN pourraient se former à partir de leurs éléments constitutifs de base et si ces molécules d'ARN pourraient entraîner les réactions nécessaires à la vie en l'absence de protéines.

La vie telle que nous la connaissons aujourd'hui nécessite généralement du matériel génétique - ADN, qui est d'abord transcrit en ARN. Ces deux molécules sont porteuses d'informations pour la production de protéines, qui sont à leur tour nécessaires pour la plupart des aspects fonctionnels de la vie, y compris la production de nouveau matériel génétique. Cela met en place un dilemme « la poule et l'œuf » pour les origines de la vie sur la Terre primitive. L'ADN est nécessaire pour produire des protéines, mais les protéines sont nécessaires pour produire de l'ADN.

"L'ARN - ou quelque chose de similaire - a été considéré comme une clé pour résoudre ce dilemme, " a déclaré Raghav R. Poudyal, Boursier postdoctoral Simons Origins of Life à Penn State et premier auteur de l'article. "Les molécules d'ARN portent des informations génétiques, mais ils peuvent également fonctionner comme des enzymes pour catalyser les réactions chimiques nécessaires au début de la vie. Ce fait a conduit à l'idée que la vie sur Terre est passée par une étape où l'ARN a joué un rôle actif dans la facilitation des réactions chimiques - "le monde de l'ARN" - où les molécules d'ARN auto-répliquant à la fois transportaient l'information génétique et remplissaient des fonctions qui sont maintenant généralement réalisée par des protéines.

Une autre caractéristique commune de la vie sur Terre est qu'elle est compartimentée en cellules, souvent avec une membrane externe, ou dans des compartiments plus petits à l'intérieur des cellules. Ces compartiments assurent que tous les composants pour les réactions chimiques de la vie sont à portée de main, mais dans le monde prébiotique, les éléments constitutifs de l'ARN - ou les enzymes d'ARN nécessaires pour conduire les réactions chimiques qui pourraient mener à la vie - auraient probablement été rares, flottant dans la soupe primordiale.

"Vous pouvez penser à ces enzymes ARN comme à une voiture produite dans une chaîne de montage, " dit Poudyal. " Si vous n'avez pas les pièces au bon endroit dans l'usine, la chaîne de montage ne fonctionne pas. Sans coacervats, les pièces nécessaires aux réactions chimiques sont trop diluées et ont peu de chance de se retrouver, mais à l'intérieur des coacervats, toutes les parties dont l'enzyme a besoin pour fonctionner sont à proximité."

Les chercheurs ont donc examiné une variété de matériaux ayant pu exister dans la Terre pré-vie qui peuvent former des coacervats - des protocellules sans membrane - et ont ensuite permis des fonctions critiques telles que la séquestration des éléments constitutifs de l'ARN et le rapprochement des enzymes ARN et de leurs cibles.

"On savait auparavant que les molécules d'ARN peuvent s'assembler et s'allonger dans des solutions à fortes concentrations de magnésium, ", a déclaré Poudyal. "Nos travaux montrent que les coacervats fabriqués à partir de certains matériaux permettent à cet assemblage d'ARN non enzymatique médié par une matrice de se produire même en l'absence de magnésium."

Les coacervats sont composés de molécules chargées positivement appelées polyamines et de polymères chargés négativement qui se regroupent pour former des compartiments sans membrane dans une solution. Les molécules d'ARN chargées négativement sont également attirées par les polyamines dans les coacervats. Dans les coacervats, les molécules d'ARN sont jusqu'à 4000 fois plus concentrées que dans la solution environnante. En concentrant les molécules d'ARN dans les coacervats, Les enzymes à ARN sont plus susceptibles de trouver leurs cibles pour entraîner des réactions chimiques.

"Bien que toutes les polyamines que nous avons testées aient pu participer à la formation de gouttelettes riches en ARN, ils différaient par leur capacité à supporter l'allongement de l'ARN, " a déclaré Christine Keating, professeur de chimie à Penn State et un auteur principal sur le papier. "Ces observations nous aident à comprendre comment l'environnement chimique au sein de différents compartiments sans membrane peut avoir un impact sur les réactions d'ARN."

"Bien que nous ne puissions pas regarder en arrière pour voir les mesures exactes prises pour former la première vie sur Terre, les coacervats comme ceux que nous pouvons créer en laboratoire peuvent avoir aidé en facilitant des réactions chimiques qui n'auraient pas été possibles autrement, " dit Poudyal.

En plus de Bevilacqua, Poudyal, et Keating, l'équipe de recherche de Penn State comprend Rebecca M. Guth-Metzler, Andrew J. Veenis, et Erica A. Frankel. La recherche a été soutenue par la Fondation Simons et la NASA.