Avant que la vie ne commence sur Terre, l'environnement contenait probablement un nombre massif de produits chimiques qui réagissaient les uns avec les autres de manière plus ou moins aléatoire, et on ne sait pas comment la complexité des cellules a pu émerger d'un tel chaos chimique. Maintenant, une équipe dirigée par Tony Z. Jia à l'Institut de technologie de Tokyo et Kuhan Chandru de l'Université nationale de Malaisie a montré que les acides α-hydroxy simples, comme l'acide glycolique et lactique, polymériser spontanément et s'auto-assembler en microgouttelettes de polyester lorsqu'il est séché à des températures modérées suivi d'une réhydratation. C'est peut-être ce qui s'est passé le long des plages primitives et des berges des rivières, ou dans des flaques de séchage. Ceux-ci forment un nouveau type de compartiment semblable à une cellule qui peut piéger et concentrer des biomolécules telles que des acides nucléiques et des protéines. Ces gouttelettes, contrairement à la plupart des cellules modernes, sont capables de fusionner et de se réformer facilement, et pourrait donc avoir hébergé des systèmes génétiques et métaboliques précoces polyvalents potentiellement critiques pour les origines de la vie.

Toute vie sur Terre est constituée de cellules. Les cellules sont composées de lipides, protéines et acides nucléiques, avec le lipide formant la membrane cellulaire, une enceinte qui maintient les autres composants ensemble et s'interface avec l'environnement, échanger de la nourriture et des déchets. Comment des assemblages moléculaires aussi complexes que les cellules se sont formés à l'origine reste un mystère.

La plupart des recherches sur les origines de la vie se concentrent sur la façon dont les molécules et les structures de la vie ont été produites par l'environnement, puis assemblés en structures qui ont conduit aux premières cellules. Cependant, il y avait probablement de nombreux autres types de molécules qui se sont formées aux côtés des biomolécules sur la Terre primitive, et il est possible que la vie ait commencé en utilisant une chimie très simple sans rapport avec les biomolécules modernes, puis évolué à travers des étapes de plus en plus complexes pour donner naissance aux structures trouvées dans les cellules modernes.

Des travaux antérieurs menés à ELSI ont montré que le séchage à température modérée des composés organiques simples connus sous le nom d'acides alpha-hydroxy, qui se trouvent dans les météorites et de nombreuses simulations de chimie prébiologique, les polymérise spontanément en mélanges de polyesters longs. Fort de ce travail, Jia et ses collègues sont passés à l'étape suivante et ont examiné ces réactions au microscope, et ont découvert que ces systèmes de polyesters mixtes forment une phase de gel et s'auto-assemblent spontanément lorsqu'ils sont réhumidifiés pour former des structures cellulaires simples.

L'aspect le plus difficile de ce travail a été de concevoir de nouvelles méthodes pour caractériser les propriétés et les fonctions des gouttelettes, car personne n'avait analysé de tels systèmes auparavant. Jia a noté que l'équipe avait la chance d'avoir une telle diversité d'expertise multidisciplinaire, y compris les chimistes, biochimistes, les scientifiques des matériaux et les géologues. Après avoir déterminé leur composition et montré leur propension à s'auto-assembler, la question suivante était de savoir si ces structures semblables à des cellules pourraient être capables de faire quelque chose d'utile chimiquement. Les membranes cellulaires modernes remplissent de nombreuses fonctions cruciales qui aident à maintenir la cellule, par exemple, retenir les macromolécules et les métabolites en un seul endroit, en plus de fournir un environnement interne constant, qui peut être très différent de celui à l'extérieur de la cellule. Ils ont d'abord mesuré la stabilité de ces structures et ont découvert qu'elles pouvaient persister pendant de très longues périodes en fonction des conditions environnementales, mais pourrait aussi être amené à fusionner et à fusionner.

Ils ont ensuite testé la capacité de ces structures à séquestrer des molécules de l'environnement et ont découvert qu'elles accumulaient de grandes molécules de colorant à un degré remarquable. Ils ont ensuite montré que ces gouttelettes pouvaient également héberger des molécules d'ARN et de protéines tout en leur permettant d'être fonctionnellement catalytiques. Plus loin, l'équipe a montré que les gouttelettes pouvaient aider à la formation d'une couche lipidique à leur surface, suggérant qu'ils auraient pu aider à la formation de protocellules d'échafaudage.

Jia et ses collègues ne sont pas certains que ces structures soient les ancêtres directs des cellules, mais ils pensent qu'il est possible que de telles gouttelettes aient permis l'assemblage de protocellules sur Terre. Le nouveau système de compartimentage qu'ils ont trouvé est extrêmement simple, ils notent, et pourrait se former facilement dans des environnements primitifs à travers l'univers. dit Jia, "Cela nous permet d'imaginer des systèmes non biologiques sur la Terre primitive qui pourraient encore avoir joué un rôle dans les origines de la vie. Cela suggère qu'il pourrait y avoir de nombreux autres systèmes non biologiques qui devraient être la cible de futures recherches de ce type." Il pense que le développement de ces systèmes modèles ou similaires pourrait permettre une meilleure étude de l'évolution de divers systèmes chimiques représentatifs des chimies complexes susceptibles d'être trouvées sur les corps planétaires primitifs.

"La Terre primitive était certainement un endroit désordonné chimiquement, " Jia explique, "et souvent, la plupart des études sur les origines de la vie se concentrent sur les biomolécules modernes dans des conditions relativement «propres». Peut-être est-il important de prendre ces mélanges "désordonnés" et de voir s'il y a des fonctions ou des structures intéressantes qui peuvent en découler spontanément." Les auteurs pensent maintenant qu'en augmentant systématiquement la complexité chimique de tels systèmes, ils pourront observer leur évolution dans le temps et découvrir éventuellement des propriétés divergentes et émergentes.

"Nous avons ce nouveau système expérimental avec lequel nous pouvons maintenant jouer, nous pouvons donc commencer à étudier des phénomènes comme l'évolution et l'évolutivité de ces gouttelettes. Les combinaisons possibles de structures ou de fonctions que ces gouttelettes pourraient avoir sont presque infinies. Si les règles physiques qui régissent la formation des gouttelettes sont de nature assez universelle, puis nous espérons étudier des systèmes similaires pour découvrir s'ils peuvent également former des microgouttelettes avec de nouvelles propriétés, " ajoute Jia.

Finalement, alors que l'équipe se concentre actuellement sur la compréhension des origines de la vie, ils notent que cette recherche fondamentale pourrait avoir des applications dans d'autres domaines, par exemple, délivrance de médicaments et médecine personnalisée. « Ceci n'est qu'un merveilleux exemple des façons inattendues dont les projets peuvent se développer lorsqu'une équipe de divers scientifiques du monde entier se réunit pour essayer de comprendre des phénomènes nouveaux et intéressants, " a déclaré Jim Cleaves, membre de l'équipe, aussi de l'ELSI.