Les travaux du laboratoire Otto ont abouti à un système chimique qui montre différentes propriétés de la vie. Par oxydation, les blocs de construction de base se joignent pour former des anneaux de différentes tailles (à gauche, milieu et haut). Finalement, des anneaux de six blocs de construction (16) forment des piles. Ces piles grandissent, et multiplier en brisant, conduisant à la réplication des cycles à six chaînons. Lorsqu'un colorant photosensible se fixe aux piles et est activé par la lumière, il agit comme un cofacteur en augmentant l'oxydation des briques élémentaires, ce qui accélère la production de nouveaux anneaux à partir desquels les piles de réplicateurs se développent. Crédit :Otto Lab, Université de Groningue
Dans un système avec des molécules auto-répliquantes, précédemment démontré avoir la capacité de croître, diviser et évoluer, des chimistes de l'Université de Groningen ont maintenant découvert des capacités catalytiques qui se traduisent par un métabolisme de base. Par ailleurs, ils ont lié un colorant photosensible aux molécules, ce qui leur a permis d'utiliser l'énergie lumineuse pour alimenter la croissance. Ces découvertes, qui rapprochent la vie artificielle, ont été publiés simultanément dans les revues Chimie de la nature et Catalyse naturelle le 26 juin.
Il y a dix ans, Sijbren Otto, Professeur de chimie des systèmes à l'Institut de chimie Stratingh de l'Université de Groningue, ont découvert un nouveau mécanisme d'auto-réplication :de petites molécules contenant des peptides en solution forment des anneaux qui forment par la suite des empilements croissants. Lorsqu'une pile se brise, les deux moitiés recommencent à croître. Par ailleurs, la croissance des empilements épuise le nombre d'anneaux en solution et ce, à son tour, stimule la formation de nouveaux anneaux à partir des blocs de construction. Le système pouvait également « muter » lorsque différents blocs de construction étaient ajoutés.
Superbe découverte
Ce système, qui surgit spontanément, est une forme de proto-vie artificielle. « La définition de la vie est complexe mais en général, la vie devrait avoir trois propriétés de base, " explique Otto. " La première est la réplication, et cela se produit dans notre système. Le second est le métabolisme, qui devrait créer des blocs de construction à partir de matériaux dans l'environnement. Et le troisième est la compartimentation, qui sépare l'organisme vivant de son environnement." Enfin, ces organismes devraient en développer un quatrième, propriété plus avancée, qui est la capacité d'évoluer et d'inventer.
Otto et son équipe ont entrepris d'apporter des modifications à leurs molécules afin d'ajouter des capacités catalytiques. "Toutefois, quand nous avons commencé le projet, nous avons fait une découverte étonnante. Sans nécessiter de modifications, le système montrait déjà une catalyse; nous n'avions tout simplement pas remarqué cela auparavant. » Les piles se développent à partir d'anneaux composés de six blocs de construction. Ces anneaux sont formés en combinant les blocs de construction d'anneaux plus petits composés de trois ou quatre blocs de construction.
Les empilements d'anneaux catalysent la conversion des blocs de construction de base en nouveaux anneaux à trois et quatre chaînons qui sont nécessaires à la croissance d'empilements d'anneaux à six chaînons (auto-réplication). Crédit :Otto Lab, Université de Groningue
Évolution
"Il s'est avéré que les empilements d'anneaux catalysent la formation des anneaux plus petits, " dit Otto. Une analyse plus approfondie a montré que la catalyse de cette réaction nécessite la présence de deux résidus d'acides aminés spécifiques (deux résidus de lysine). " Ni les éléments constitutifs ni les cycles séparés n'ont de capacités catalytiques, mais les piles le font. Nous supposons donc que dans ces piles, une configuration 3-D de ces résidus de lysine apparaît qui agit comme le centre catalytique, tout comme les protéines façonnent les sites actifs en plaçant les résidus d'acides aminés dans des arrangements très spécifiques, " explique Otto. Ainsi, dans les structures qui émergent du fait de leur capacité à s'auto-répliquer, les acides aminés s'organisent de telle manière qu'ils peuvent agir comme des catalyseurs.
Les empilements sont également capables de catalyse rétro-aldol, une réaction bien connue qui est souvent utilisée pour comparer les efforts de conception de catalyseur. "De façon intéressante, nos piles, qui n'ont pas été conçus pour avoir des capacités catalytiques, étaient aussi efficaces que les catalyseurs les mieux conçus que nous connaissions. » Découvrir que les mêmes empilements peuvent catalyser deux réactions très différentes est intéressant. De nombreuses enzymes ont cette capacité, qui donne à l'évolution une chance de développer quelque chose de nouveau.
Métabolisme
Dans une seconde étude, un colorant photosensible a été ajouté. "Guille Monréal, l'un de mes doctorats. étudiants, lire qu'un tel colorant pourrait stimuler la formation d'oxygène singulet réactif dans les peptides amyloïdes. Comme l'oxygène réactif entraîne des étapes importantes dans la formation de l'anneau, il voulait voir si cela accélérerait la formation des anneaux." Deux colorants différents ont été trouvés qui accélèrent effectivement la formation des anneaux lorsqu'ils sont exposés à la lumière, mais seulement quand ils étaient liés aux piles. « Les colorants semblaient agir comme des cofacteurs pour les piles, tout comme les protéines modernes utilisent des cofacteurs pour leur catalyse, " dit Otto. Lorsqu'il est lié aux fibres de réplication, le colorant peut utiliser l'énergie de la lumière pour créer de l'oxygène singulet réactif et ainsi augmenter la formation de nouveaux anneaux.
La catalyse spontanée par les empilements et la catalyse médiée par le cofacteur entraînent une sorte de métabolisme lié à la réplication. "Ce n'est pas encore le genre de métabolisme que vous voyez dans les organismes vivants, " explique Otto. " Dans notre système, la catalyse ne fait qu'accélérer des réactions qui se produiraient lentement sans aide. Dans la vie, le métabolisme entraîne également des réactions qui, autrement, ne se produiraient pas."
Vie artificielle
Cependant, Le système artificiel d'Otto montre à la fois une réplication et une forme primitive de métabolisme. "En outre, à partir de ce point, la compartimentation est un pas relativement petit. est-il proche de voir évoluer la vie artificielle dans ses éprouvettes ? "Pas assez, " admet Otto. " Cela exigerait que le système soit capable d'évolution ouverte, ce qui signifie qu'il peut faire évoluer des capacités qui ne sont pas présentes dans le système. Et nous n'avons pas encore d'idée claire sur la façon d'y parvenir. Mais notre système semble être une base solide à partir de laquelle nous pouvons y arriver."
