Il y a environ 4 milliards d’années, la Terre développait des conditions propices à la vie. Les scientifiques spécialisés dans l’origine de la vie se demandent souvent si le type de chimie trouvé sur la Terre primitive était similaire à ce dont la vie a besoin aujourd’hui. Ils savent que des amas sphériques de graisses, appelés protocellules, étaient les précurseurs des cellules lors de cette émergence de la vie. Mais comment de simples protocellules sont-elles apparues et se sont-elles diversifiées pour finalement conduire à la vie sur Terre ?

Aujourd'hui, les scientifiques de Scripps Research ont découvert une voie plausible expliquant comment les protocellules se sont formées et ont progressé chimiquement pour permettre une diversité de fonctions.

Les résultats, publiés en ligne le 29 février 2024, dans la revue Chem , suggèrent qu'un processus chimique appelé phosphorylation (dans lequel des groupes phosphate sont ajoutés à la molécule) pourrait s'être produit plus tôt que prévu. Cela conduirait à des protocellules à double chaîne plus complexes structurellement, capables d’héberger des réactions chimiques et de se diviser avec une gamme diversifiée de fonctionnalités. En révélant comment les protocellules se sont formées, les scientifiques peuvent mieux comprendre comment l'évolution précoce a pu avoir lieu.

"À un moment donné, nous nous demandons tous d'où nous venons. Nous avons maintenant découvert une manière plausible selon laquelle les phosphates auraient pu être incorporés dans des structures cellulaires plus tôt qu'on ne le pensait, ce qui jetterait les bases de la vie", explique Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., auteur principal co-correspondant et professeur au Département de chimie de Scripps Research.

"Cette découverte nous aide à mieux comprendre les environnements chimiques de la Terre primitive afin que nous puissions découvrir les origines de la vie et comment la vie peut évoluer sur la Terre primitive."

Krishnamurthy et son équipe étudient comment les processus chimiques se sont produits pour donner naissance aux produits chimiques et aux formations simples qui étaient présents avant l'émergence de la vie sur la Terre prébiotique. Krishnamurthy est également co-responsable d'une initiative de la NASA qui étudie comment la vie a émergé de ces premiers environnements.

Dans cette étude, Krishnamurthy et son équipe ont collaboré avec le laboratoire du biophysicien de la matière molle Ashok Deniz, Ph.D., auteur principal co-correspondant et professeur au Département de biologie structurale et computationnelle intégrative de Scripps Research. Ils ont cherché à examiner si les phosphates pouvaient avoir été impliqués lors de la formation des protocellules. Les phosphates sont présents dans presque toutes les réactions chimiques du corps, Krishnamurthy soupçonne donc qu'ils pourraient avoir été présents plus tôt qu'on ne le pensait auparavant.

Les scientifiques pensaient que les protocellules se formaient à partir d'acides gras, mais il était difficile de savoir comment les protocellules passaient d'une simple chaîne à une double chaîne de phosphates, ce qui leur permet d'être plus stables et d'héberger des réactions chimiques.

Les scientifiques voulaient imiter des conditions prébiotiques plausibles, c'est-à-dire les environnements qui existaient avant l'émergence de la vie. Ils ont d'abord identifié trois mélanges probables de produits chimiques susceptibles de créer des vésicules, des structures sphériques de lipides similaires aux protocellules.

Les produits chimiques utilisés comprenaient des acides gras et du glycérol (un sous-produit courant de la production de savon qui aurait pu exister au début de la Terre). Ensuite, ils ont observé les réactions de ces mélanges et ont ajouté des produits chimiques supplémentaires pour créer de nouveaux mélanges. Ces solutions ont été refroidies et chauffées à plusieurs reprises pendant la nuit en les secouant pour favoriser les réactions chimiques.

Ils ont ensuite utilisé des colorants fluorescents pour inspecter les mélanges et juger si la formation de vésicules avait eu lieu. Dans certains cas, les chercheurs ont également varié le pH et les ratios des composants pour mieux comprendre l’impact de ces facteurs sur la formation des vésicules. Ils ont également examiné l'effet des ions métalliques et de la température sur la stabilité des vésicules.

"Les vésicules ont pu passer d'un environnement d'acides gras à un environnement de phospholipides au cours de nos expériences, ce qui suggère qu'un environnement chimique similaire aurait pu exister il y a 4 milliards d'années", explique le premier auteur Sunil Pulletikurti, chercheur postdoctoral au laboratoire de Krishnamurthy.

Il s’avère que les acides gras et le glycérol peuvent avoir subi une phosphorylation pour créer cette structure à double chaîne plus stable. En particulier, les esters d'acides gras dérivés du glycérol peuvent avoir conduit à la formation de vésicules présentant des tolérances différentes aux ions métalliques, aux températures et au pH, une étape critique dans la diversification de l'évolution.

"Nous avons découvert une voie plausible expliquant comment les phospholipides auraient pu émerger au cours de ce processus d'évolution chimique", explique Deniz. "C'est passionnant de découvrir comment les premières chimies ont pu évoluer pour permettre la vie sur Terre. Nos découvertes suggèrent également une richesse de physiques intrigantes qui pourraient avoir joué des rôles fonctionnels clés tout au long du chemin vers les cellules modernes."

Ensuite, les scientifiques prévoient d'examiner pourquoi certaines vésicules ont fusionné tandis que d'autres se sont divisées pour mieux comprendre les processus dynamiques des protocellules.

Plus d'informations : Modélisation expérimentale de l'émergence de vésicules phospholipidiques prébiotiques plausibles, Chem (2024). DOI :10.1016/j.chempr.2024.02.007. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(24)00069-X

Informations sur le journal : Chimie

Fourni par le Scripps Research Institute