Les réactions chimiques induites par les conditions géologiques de la Terre primitive pourraient avoir conduit à l'évolution prébiotique de molécules auto-répliquantes. Des scientifiques de la Ludwig-Maximilians Universitaet (LMU) à Munich rapportent désormais un mécanisme hydrothermal qui aurait pu favoriser le processus.

La vie est un produit de l'évolution par sélection naturelle. C'est la leçon à retenir du livre de Charles Darwin "L'origine des espèces, " publié il y a plus de 150 ans. Mais comment l'histoire de la vie sur notre planète a-t-elle commencé ? Quel type de processus a pu conduire à la formation des premières formes des biomolécules que nous connaissons aujourd'hui, qui a par la suite donné naissance à la première cellule ? Les scientifiques pensent que, sur la Terre (relativement) jeune, les environnements doivent avoir existé, qui étaient propices au prébiotique, évolution moléculaire. Un groupe dédié de chercheurs est engagé dans des tentatives pour définir les conditions dans lesquelles les premières étapes provisoires de l'évolution de molécules polymères complexes à partir de précurseurs chimiques simples auraient pu être réalisables. "Pour lancer tout le processus, la chimie prébiotique doit être intégrée dans un environnement dans lequel une combinaison appropriée de paramètres physiques fait prévaloir un état de non-équilibre, " explique Dieter Braun, biophysicien du LMU. Avec des collègues du Salk Institute de San Diego, lui et son équipe ont maintenant fait un grand pas vers la définition d'un tel état. Leurs dernières expériences ont montré que la circulation d'eau chaude (fournie par une version microscopique du Gulf Stream) à travers les pores de la roche volcanique peut stimuler la réplication des brins d'ARN. Les nouvelles découvertes paraissent dans la revue Lettres d'examen physique .

En tant que porteurs d'informations héréditaires dans toutes les formes de vie connues, L'ARN et l'ADN sont au cœur des recherches sur les origines de la vie. Les deux sont des molécules linéaires composées de quatre types de sous-unités appelées bases, et les deux peuvent être répliqués et donc transmis. La séquence de bases code pour l'information génétique. Cependant, les propriétés chimiques des brins d'ARN diffèrent subtilement de celles de l'ADN. Alors que les brins d'ADN s'apparient pour former la célèbre double hélice, Les molécules d'ARN peuvent se replier en structures tridimensionnelles beaucoup plus variées et fonctionnellement polyvalentes. En effet, il a été démontré que des molécules d'ARN spécifiquement repliées catalysent des réactions chimiques à la fois dans le tube à essai et dans les cellules, tout comme les protéines. Ces ARN agissent donc comme des enzymes, et sont appelés «ribozymes». Cette idée postule que, au début de l'évolution moléculaire, Les molécules d'ARN servaient à la fois de réserves d'informations comme l'ADN, et comme catalyseurs chimiques. Ce dernier rôle est joué par les protéines dans les organismes d'aujourd'hui, où les ARN sont synthétisés par des enzymes appelées ARN polymérases.

Les ribozymes qui peuvent lier de courts brins d'ARN entre eux - et certains qui peuvent répliquer des modèles d'ARN courts - ont été créés par mutation et sélection darwinienne en laboratoire. L'un de ces ribozymes « ARN polymérase » a été utilisé dans la nouvelle étude.

L'acquisition de la capacité d'auto-réplication de l'ARN est considérée comme le processus crucial dans l'évolution moléculaire prébiotique. Afin de simuler les conditions dans lesquelles le processus aurait pu s'établir, Braun et ses collègues ont mis en place une expérience dans laquelle une chambre cylindrique de 5 mm sert d'équivalent à un pore dans une roche volcanique. Sur la Terre primitive, les roches poreuses auraient été exposées à des gradients de température naturels. Les fluides chauds s'infiltrant à travers les roches sous le fond marin auraient rencontré des eaux plus froides au fond de la mer, par exemple. Cela explique pourquoi les sources hydrothermales sous-marines sont le cadre environnemental de l'origine de la vie le plus favorisé par de nombreux chercheurs. Dans les pores minuscules, les variations de température peuvent être très importantes, et donnent lieu à des courants de transfert de chaleur et de convection. Ces conditions peuvent être facilement reproduites en laboratoire. Dans la nouvelle étude, l'équipe LMU a vérifié que de tels gradients peuvent fortement stimuler la réplication de séquences d'ARN.

Un problème majeur avec le scénario piloté par le ribozyme pour la réplication de l'ARN est que le résultat initial du processus est un ARN double brin. Pour obtenir une réplication cyclique, les brins doivent être séparés ("fondus"), et cela nécessite des températures plus élevées, qui sont susceptibles de déplier - et d'inactiver - le ribozyme. Braun et ses collègues ont maintenant démontré comment cela peut être évité. « Dans notre expérience, le chauffage local de la chambre de réaction crée un gradient de température important, qui met en place une combinaison de convection, thermophorèse et mouvement brownien, " dit Braun. La convection agite le système, tandis que la thermophorèse transporte les molécules le long du gradient d'une manière dépendante de la taille. Le résultat est une version microscopique d'un courant océanique comme le Gulf Stream. Ce qui est essentiel, car il transporte de courtes molécules d'ARN dans des régions plus chaudes, tandis que le plus grand, le ribozyme thermosensible s'accumule dans les régions les plus froides, et est protégé de la fonte. En effet, les chercheurs ont été étonnés de découvrir que les molécules de ribozyme se sont agrégées pour former des complexes plus gros, ce qui augmente encore leur concentration dans la région la plus froide. De cette façon, les durées de vie des ribozymes labiles pourraient être considérablement allongées, malgré les températures relativement élevées. "C'était une surprise totale, " dit Braun.

Les longueurs des brins répliqués obtenus sont encore relativement limitées. Les séquences d'ARN les plus courtes sont dupliquées plus efficacement que les plus longues, de telle sorte que les produits dominants de réplication soient réduits à une longueur minimale. D'où, véritable évolution darwinienne, qui favorise la synthèse de brins d'ARN de plus en plus longs, ne se produit pas dans ces conditions. "Toutefois, sur la base de nos calculs théoriques, nous sommes convaincus qu'une optimisation supplémentaire de nos pièges à température est possible, " dit Braun. Un système dans lequel le ribozyme est assemblé à partir de brins d'ARN plus courts, qu'il peut répliquer séparément, est également une voie possible pour aller de l'avant.