Les pentoses sont des glucides essentiels au métabolisme des formes de vie modernes, mais leur disponibilité au début de la Terre n'est pas claire car ces molécules sont instables.

Une nouvelle étude, publiée dans la revue JACS Au et dirigé par l'Institut des sciences de la Terre et de la vie (ELSI) de l'Institut de technologie de Tokyo, au Japon, révèle une voie chimique compatible avec les premières conditions terrestres et par laquelle les aldonates en C6 auraient pu agir comme une source de pentoses sans avoir besoin d'enzymes. Leurs découvertes fournissent des indices sur la biochimie primitive et nous rapprochent de la compréhension des origines de la vie.

L’émergence de la vie sur Terre à partir de produits chimiques simples est l’un des sujets les plus passionnants et les plus stimulants de la biochimie et peut-être de l’ensemble de la science. Les formes de vie modernes peuvent transformer les nutriments en toutes sortes de composés via des réseaux chimiques complexes; de plus, ils peuvent catalyser des transformations très spécifiques à l'aide d'enzymes, obtenant ainsi un contrôle très fin sur les molécules produites.

Cependant, les enzymes n’existaient pas avant que la vie n’apparaisse et ne devienne plus sophistiquée. Ainsi, il est probable que divers réseaux chimiques non enzymatiques aient existé à un stade antérieur de l'histoire de la Terre, capables de convertir les nutriments environnementaux en composés soutenant les fonctions cellulaires primitives.

La synthèse des pentoses est un exemple frappant du scénario ci-dessus. Ces sucres simples, ne contenant que cinq atomes de carbone, sont les éléments fondamentaux de l’ARN et d’autres molécules essentielles à la vie telle que nous la connaissons. Les scientifiques ont proposé et étudié diverses façons dont les pentoses auraient pu être générés avant l'origine de la vie, mais les théories actuelles soulèvent la question suivante :comment les pentoses pourraient-ils s'accumuler en quantités suffisantes pour participer à des réactions pré-vie si ces composés ont une durée de vie extrêmement courte ?

Pour répondre à cette question, une équipe de recherche dirigée par le chercheur Ruiqin Yi de l'ELSI a mené une étude pour trouver une explication alternative à l'origine et à l'approvisionnement soutenu des pentoses au début de la Terre. Ils ont exploré un réseau chimique sans enzyme dans lequel les aldonates en C6, qui sont des glucides stables à six carbones, s'accumulent à partir de diverses sources de sucres prébiotiques, puis se reconvertissent en pentoses.

La voie chimique proposée commence par le gluconate, un aldonate en C6 stable qui aurait pu être facilement disponible sur la Terre primitive grâce aux transformations prébiotiques connues des sucres basiques. L'étape suivante est l'oxydation non sélective de l'aldonate en C6 en uronate ; ici, le terme « non sélectif » signifie que le processus d'oxydation ne fait pas de distinction entre les différents atomes de carbone dans la structure aldonate, laissant cinq résultats d'oxydation possibles.

Grâce à des expériences et des analyses théoriques, les chercheurs ont approfondi les différents produits d'oxydation pour comprendre les détails du réseau réactionnel.

Fait intéressant, ils ont découvert que quel que soit l'endroit où l'oxydation a lieu, les composés d'uronate résultants peuvent toujours subir une transformation intramoléculaire connue sous le nom de « migration carbonyle » jusqu'à ce que le composé spécifique 3-oxo-uronate soit formé. Une fois cet état atteint, le 3-oxo-uronate se transforme facilement en pentose par β-décarboxylation en présence de H₂ O₂ et un catalyseur ferreux, tous deux compatibles avec les conditions de la Terre primitive.

Après avoir établi et testé l'intégralité de ce réseau réactionnel complexe, les chercheurs ont remarqué une ressemblance importante avec une voie biochimique moderne.

"Nous avons démontré une voie de synthèse non enzymatique pour les sucres à cinq carbones qui repose sur des transformations chimiques rappelant les premières étapes de la voie des pentoses phosphates, une voie essentielle du métabolisme", explique l'auteur principal Ruiqin Yi.

"Ces résultats prouvent que la synthèse des sucres prébiotiques peut chevaucher les voies biochimiques existantes." Étant donné que les sucres sont omniprésents dans le métabolisme moderne, le réseau de réactions proposé aurait pu être important pour l'émergence des premiers systèmes vivants.

Les résultats de cette étude sont importants dans le contexte de l’astrochimie et de l’astrobiologie. Les aldonates ont été trouvés en abondance dans la météorite Murchison, une célèbre météorite carbonée tombée sur Terre en 1969.

En revanche, les glucides canoniques trouvés dans les systèmes biologiques modernes y étaient absents. Cela implique que les aldonates peuvent se former et s’accumuler dans des conditions extraterrestres, et la présente étude suggère qu’ils pourraient jouer un rôle important dans l’origine des éléments constitutifs de la vie. "Nous espérons que ces travaux façonneront la prochaine vague d'astrobiologie qui se concentrera sur les études sur les aldonates", ajoute Yi.

Dans les études futures, l'équipe de recherche se concentrera sur la question de savoir si les aldonates en C6 auraient pu s'accumuler suffisamment au début de la Terre pour agir comme « nutriments » pour l'émergence du protométabolisme. Le chercheur principal Ruiqin Yi conclut :"Nous voulons mieux comprendre comment ces aldonates peuvent être générés à partir de réactions classiques avec les sucres prébiotiques, telles que la réaction formose et l'homologation Kiliani-Fischer."

Notamment, ces réactions classiques des sucres prébiotiques ne se trouvent pas dans le métabolisme moderne, et ainsi, la voie non enzymatique proposée pourrait agir comme un pont indispensable entre les premiers sucres et les glucides théoriquement utilisés par les premières formes de vie.

Plus d'informations : Ruiqin Yi et al, La migration des carbonyles dans les uronates offre une voie prébiotique potentielle pour la production de pentose, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00299

Fourni par l'Institut de technologie de Tokyo