Les molécules présentent souvent une asymétrie structurelle appelée chiralité, ce qui signifie qu’elles peuvent apparaître dans des versions alternatives, en image miroir, semblables aux versions gauche et droite des mains humaines. L'un des grands mystères concernant les origines de la vie sur Terre réside dans le fait que pratiquement toutes les molécules fondamentales de la biologie, telles que les éléments constitutifs des protéines et de l'ADN, apparaissent sous une seule forme chirale.
Les chimistes de Scripps Research, dans deux études de grande envergure, ont proposé une solution élégante à ce mystère, montrant comment cette autonomie ou « homochiralité » aurait pu s'établir en biologie.
Les études ont été publiées dans les Actes de l'Académie nationale des sciences. et dans Nature . Ensemble, ils suggèrent que l'émergence de l'homochiralité était due en grande partie à un phénomène chimique appelé résolution cinétique, dans lequel une forme chirale devient plus abondante qu'une autre en raison d'une production plus rapide et/ou d'un épuisement plus lent.
"Il y a eu de nombreuses propositions sur la façon dont l'homochiralité a émergé dans des molécules spécifiques - des acides aminés spécifiques, par exemple - mais nous avions vraiment besoin d'une théorie plus générale", explique Donna Blackmond, Ph.D., professeur et titulaire de la chaire John C. Martin du Département de chimie de Scripps Research, qui a dirigé les deux études.
L'étudiant diplômé Jinhan Yu et l'associé de recherche postdoctoral Min Deng, Ph.D., ont été les premiers auteurs des deux études.
La chimie de « l’origine de la vie » est un domaine très actif depuis une grande partie du siècle dernier. Ses praticiens ont découvert des dizaines de réactions clés qui se sont vraisemblablement produites sur la Terre primitive, « prébiotique », pour produire les premiers ADN, ARN, sucres, acides aminés et autres molécules qui soutiennent la vie. Cependant, il manque dans cet ensemble de travaux une théorie prébiotique plausible sur l'émergence de l'homochiralité.
"Il y a eu une tendance dans le domaine à ignorer le problème de la chiralité lorsqu'on recherche des réactions plausibles qui auraient pu produire les premières molécules biologiques", explique Blackmond. "C'est frustrant car sans réactions favorisant l'homochiralité, nous n'aurions pas la vie."
Les réactions chimiques ordinaires qui produisent des molécules chirales ont tendance à produire des mélanges égaux (« racémiques ») de formes gauches et droites. En dehors de la biologie, ce mélange n'a généralement pas d'importance, car les deux formes ont généralement des propriétés similaires ou identiques.
En biologie, cependant, en raison d’une homochiralité étendue, il arrive généralement que seule la forme gauche ou droite d’une molécule chirale possède des propriétés utiles – l’autre peut être inerte ou même toxique. Ainsi, les cellules guident souvent les réactions pour produire des formes chirales spécifiques à l'aide d'enzymes hautement évoluées.
Cependant, la Terre prébiotique n'aurait pas eu de telles enzymes, alors comment l'homochiralité est-elle apparue ?
Dans leur étude publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences Blackmond et son équipe ont résolu ce problème pour les acides aminés. Ces petites molécules organiques sont utilisées comme éléments constitutifs des protéines par tous les êtres vivants sur Terre, mais n'existent en biologie que sous forme chirale gauche.
Les chercheurs ont spécifiquement cherché à reproduire l'homochiralité dans un processus central de la production d'acides aminés appelé transamination, en utilisant une chimie relativement simple et plausiblement prébiotique qui exclut les enzymes complexes.
Lors des premiers tests, la réaction expérimentale de l’équipe a fonctionné et a donné des acides aminés enrichis pour une forme chirale par rapport à l’autre. Le problème était que la forme privilégiée était la forme droitière, celle que la biologie n'utilise pas.
"Nous sommes restés bloqués pendant un moment, puis l'ampoule s'est allumée. Nous avons réalisé que nous pouvions faire une partie de la réaction en sens inverse", explique Blackmond.
Lorsqu’ils faisaient cela, la réaction ne produisait plus préférentiellement des acides aminés droitiers. Dans un exemple frappant de résolution cinétique, il a plutôt consommé et épuisé préférentiellement les versions droites, laissant ainsi plus d’acides aminés gauchers souhaités. Cela a ainsi servi de voie plausible vers l'homochiralité pour les acides aminés utilisés dans les cellules vivantes.
Pour la Nature Dans cette étude, les chimistes ont exploré une réaction simple par laquelle les acides aminés des premières formes de vie auraient pu être liés entre eux pour former les premières protéines courtes (également appelées peptides). La réaction avait été publiée plus tôt par un autre chercheur mais n'avait jamais été étudiée pour sa capacité à produire des peptides homochiraux à partir de mélanges d'acides aminés racémiques ou quasi-racémiques.
Une fois de plus, les chimistes se sont heurtés à ce qui semblait être un obstacle insurmontable :ils ont découvert qu'en formant des chaînes peptidiques d'acides aminés, la réaction fonctionnait plus rapidement pour les liaisons d'acides aminés gauchers avec acides aminés droits, à l'opposé des peptides homochiraux souhaités. .
Pourtant, l’équipe a persévéré. En fin de compte, ils ont découvert que lorsqu'un type d'acide aminé dans le pool d'acides aminés de départ avait même une dominance modérée de la forme gauche - comme leur autre étude l'a rendu plausible - le taux de réaction plus rapide pour les gauchers vers les droites. les liaisons manuelles épuisent préférentiellement les acides aminés droits, laissant une concentration toujours plus grande d'acides aminés gauchers.
De plus, les peptides gauche-droite-gauche-droite avaient une plus forte tendance à s’agglutiner et à tomber de la solution sous forme de solides. Ces phénomènes liés à la résolution cinétique ont ainsi fini par donner une solution étonnamment pure de peptides presque entièrement gauchers.
Pour Blackmond, les mécanismes apparemment paradoxaux découverts dans ces études offrent la première explication large et convaincante de l’émergence de l’homochiralité – une explication qui fonctionne probablement non seulement pour les acides aminés, dit-elle, mais aussi pour d’autres molécules fondamentales de la biologie telles que l’ADN et ARN.
Plus d'informations : Jinhan Yu et al, Accès prébiotique aux acides aminés énantioenrichis via des réactions de transamination médiées par les peptides, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2315447121
Donna Blackmond, Rupture de symétrie et amplification chirale dans les réactions de ligature prébiotique, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07059-y. www.nature.com/articles/s41586-024-07059-y
Informations sur le journal : Nature , Actes de l'Académie nationale des sciences
Fourni par le Scripps Research Institute
