Toute vie moderne utilise de l'énergie pour se reproduire. Au cours de ce processus, les organismes construisent et décomposent des molécules plus grosses telles que les graisses et les sucres en utilisant un ensemble remarquablement commun de molécules porteuses d'énergie intermédiaires réactives. Ces vecteurs énergétiques intermédiaires (par exemple, ATP) ne sont souvent pas des éléments constitutifs en eux-mêmes, mais ils permettent le couplage énergétique entre des réactions séparées nécessaires pour faire avancer la reproduction cellulaire.

Une classe de ces composés est les thioesters, composés chimiques qui contiennent une liaison carbone-soufre à haute énergie. Les chercheurs ont spéculé pendant un certain temps que les thioesters pourraient être parmi les versions les plus anciennes de ces intermédiaires réactifs métaboliques, en partie parce que les organismes modernes utilisent encore des thioesters pour décomposer les sucres et fabriquer des protéines à partir d'acides aminés. À quel point des composés intermédiaires réactifs comme les thioesters auraient pu se développer avant que la vie n'évolue, ou alors que la petite vie faisait ses premiers pas, reste entourée de mystère.

De nouveaux travaux de chercheurs de l'Earth-Life Science Institute (ELSI) de l'Institut de technologie de Tokyo montrent qu'un simple composé trouvé dans certains gaz volcaniques modernes, un thioacide (un composé formé d'un acide organique et d'hydrogène sulfuré), réagit facilement avec de simples composés thiols contenant du soufre similaires à ceux fondamentaux du métabolisme moderne pour former des thioesters réactifs similaires à ceux trouvés dans la biologie moderne. Cette réaction se produit facilement dans l'eau et peut avoir servi de point de départ à l'évolution d'une biochimie plus complexe. Au cours de la recherche, les chercheurs ont découvert que lorsqu'ils incluaient du fer dans leurs réactions (qui est très abondant sur Terre), les rendements en produits de réaction ont augmenté.

L'équipe suggère que cela peut signifier un couplage énergétique entre plusieurs réactions, dans laquelle une réaction en entraîne une autre, peut avoir ses origines dans la chimie de l'environnement non vivant. Remarquablement, ils ont également découvert qu'un produit secondaire de la réaction peut être utilisé pour fabriquer un deuxième type de composé de couplage énergétique polyvalent requis par tous les êtres vivants :les clusters FeS (abréviation de fer-soufre). Ce sont de petits agrégats de seulement quelques atomes chacun de fer et de soufre, qui aident les organismes à métaboliser lorsqu'ils déplacent les électrons d'une molécule à une autre. Un exemple important d'une telle voie utilisant un cluster FeS est la photosynthèse, qui transfère les électrons de l'eau au CO 2 pour fabriquer des sucres et de l'oxygène. Ce travail fournit ainsi une nouvelle compréhension de la façon dont les molécules de haute énergie et les réactions de transfert d'électrons peuvent avoir été produites naturellement au cours de l'évolution du métabolisme précoce.

Bien que les scientifiques tentent depuis un certain temps de comprendre les origines des éléments constitutifs de la vie, peu d'efforts ont été consacrés à la compréhension de l'origine du transfert d'énergie dans la chimie prébiotique. Comprendre cet échange d'énergie pourrait être aussi important que comprendre l'origine des blocs de construction, L'équipe ELSI a donc décidé de rechercher des réactions pouvant être couplées énergétiquement.

L'auteur principal Sebastian Sanden a déclaré :"Nous étudiions déjà les minéraux FeS, et nous savions combien leur formation était facile, nous voulions donc voir si nous pouvions coupler cet excès d'énergie gaspillée à une autre réaction. » Le thioacide qu'ils ont initialement étudié contient du soufre, qu'ils savaient alors qu'il suffisait de réagir avec du fer pour former les amas de FeS qu'ils étudiaient déjà.

Les expériences et les analyses réalisées par les chercheurs de l'ELSI devaient être effectuées en succession rapide pour suivre la progression de la réaction. Ils ont développé des techniques pour ce faire, et ainsi ils ont pu déterminer à quelle vitesse ces réactions se sont produites. Leurs expériences préliminaires de fabrication de thioesters ne se sont pas déroulées aussi rapidement qu'ils l'avaient initialement espéré, mais en ajoutant un catalyseur et en augmentant la température, ils ont constaté que les rendements maximaux en thioester étaient obtenus en moins d'une heure, au lieu de quelques jours avant d'effectuer ces changements.

L'équipe pense qu'il est particulièrement fascinant que ce genre de réactions puisse créer des « réactions en cascade, " qui font des molécules de plus en plus complexes :le pyruvate se décompose, aider à former un thioester, qui permet ensuite aux peptides (plus petits cousins ​​des protéines) de se former via la nouvelle voie du thioester. L'équipe espère tester cela expérimentalement ensuite et créer un système qui peut augmenter le nombre de composants qu'il contient par lui-même, peut-être jusqu'à l'auto-reproduction.

En réalité, certains microbes modernes utilisent la décomposition du pyruvate et la formation de thioesters assistées par des clusters FeS dans leur métabolisme, et il est possible que les réactions découvertes par l'équipe récapitulent comment l'évolution prébiologique ou biologique les a découvertes. Enquêteur principal, Professeur agrégé ELSI Shawn McGlynn, dit, "Ce travail fournit de nouvelles connexions entre plusieurs composants de réaction prébiotiques qui peuvent avoir été essentiels à l'établissement du métabolisme énergétique précoce sur Terre."

Bien que ce travail puisse apporter un nouvel éclairage sur la façon dont les réactions d'échange d'énergie naturelles ont pu aider à relancer le métabolisme, il peut aussi être important pour le domaine de la chimie verte, qui vise à trouver les méthodes les plus énergétiquement efficaces et les plus respectueuses de l'environnement pour fabriquer des composés chimiques. Alors que les métaux lourds toxiques comme le cadmium et le mercure et les solvants comme le chloroforme sont souvent utilisés en chimie organique industrielle, les réactions découvertes par ce groupe de recherche sont très efficaces et fonctionnent dans l'eau en utilisant du fer non toxique comme catalyseur.