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    Le bon mélange de sels pour démarrer la vie

    Résumé graphique. Crédit :DOI :10.1038/s41557-021-00772-5

    Dans les organismes modernes, l'ADN matériel héréditaire code les instructions pour la synthèse des protéines, les nanomachines polyvalentes qui permettent aux cellules modernes de fonctionner et de se répliquer. Mais comment s'est établi ce lien fonctionnel entre l'ADN et les protéines ? Selon l'hypothèse du "monde ARN", les systèmes vivants primordiaux étaient basés sur des molécules d'ARN auto-répliquantes. Chimiquement parlant, L'ARN est étroitement lié à l'ADN. Cependant, en plus de stocker des informations, L'ARN peut se replier dans des structures complexes qui ont une activité catalytique, similaire aux nanomachines à protéines qui catalysent les réactions chimiques dans les cellules. Ces propriétés suggèrent que les molécules d'ARN devraient être capables de catalyser la réplication d'autres brins d'ARN, et initier des processus évolutifs auto-entretenus. D'où, L'ARN présente un intérêt particulier dans le contexte de l'origine de la vie en tant que candidat prometteur pour le premier biopolymère fonctionnel.

    Pour plier correctement, L'ARN nécessite une concentration relativement élevée d'ions magnésium doublement chargés et une concentration minimale de sodium simplement chargé, puisque ce dernier conduit à un mauvais repliement des brins d'ARN. Le séchage seul modifie la concentration en sel, mais pas les quantités relatives des différents ions. Par conséquent, des chercheurs dirigés par les biophysiciens du LMU Dieter Braun et Christof Mast, en collaboration avec des collègues de l'Institut Max Planck de biochimie, l'Université Technique (TU) de Dortmund et LMU Geosciences, ont maintenant demandé comment le bilan salin pertinent aurait pu être atteint dans les conditions qui prévalaient sur Terre il y a environ 4 milliards d'années. "Nous avons montré qu'une combinaison de roches basaltiques et de courants de convection simples peut donner lieu à la relation optimale entre les ions Mg et Na dans des conditions naturelles, " explique Mast.

    Verre basaltique et courants de chaleur

    Dans ce but, Les géoscientifiques du LMU dirigés par Donald Dingwell et Bettina Scheu ont d'abord synthétisé le verre basaltique, et caractérisé le basalte sous ses diverses formes, à la fois roche et verre. Le verre basaltique est produit lorsque le basalte fondu est rapidement refroidi, par exemple. lorsqu'il entre en contact avec l'eau de l'océan, un processus naturel qui se produit en permanence sur la Terre. Dans la deuxième étape, les biophysiciens du LMU ont analysé les quantités de magnésium et de sodium extraites du verre, dans diverses conditions, telles que la température ou la granulométrie du matériau géologique. Ils ont toujours trouvé significativement plus de sodium que de magnésium dans l'eau, et ce dernier était présent à des concentrations beaucoup plus faibles que celles requises par les nanomachines à ARN prébiotiques.

    "Toutefois, cette situation a considérablement changé lorsque les courants de chaleur - qui ont très probablement été présents, en raison des niveaux élevés d'activité géologique attendus dans les environnements prébiotiques - ont été ajoutés, " dit Mast. Dans les pores et les fissures étroits qui sont une caractéristique des verres basaltiques, les gradients de température induisent non seulement des écoulements convectifs, ils entraînent également le mouvement net des ions dans le sens inverse du courant. L'ampleur de cet effet, connue sous le nom de thermophorèse, dépend fortement de la taille et de la charge électrique des ions concernés. Cette combinaison de convection et de thermophorèse aboutit finalement à l'accumulation locale d'ions magnésium à des concentrations locales beaucoup plus élevées que les ions sodium. Par ailleurs, l'ampleur de cet effet de concentration augmente avec la taille du système impliqué.

    En utilisant comme système de référence les brins d'ARN catalytique fournis par Hannes Mutschler (MPI for Biochemistry/ TU Dortmund), l'équipe a ensuite confirmé que la ligature des brins d'ARN et l'auto-réplication du ribozyme sont plus efficaces dans des conditions thermophorétiques. En réalité, la nouvelle étude montre que la présence de flux de chaleur permet à l'activité de l'ARN d'avoir lieu même lorsque le milieu contient un grand excès (1000:1) de sodium par rapport aux ions magnésium, c'est-à-dire dans des conditions qui sont supposées dans certains scénarios prébiotiques mais qui sont par ailleurs incompatibles avec les processus catalytiques à base d'ARN.


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