Comment la vie a-t-elle commencé ? Comment les réactions chimiques sur la Terre primitive ont-elles créé des structures complexes et auto-reproductrices qui se sont développées pour donner naissance aux êtres vivants tels que nous les connaissons ?
Selon une école de pensée, avant l'ère actuelle de la vie basée sur l'ADN, il existait une sorte de molécule appelée ARN (ou acide ribonucléique).
L'ARN, qui est encore aujourd'hui un élément crucial de la vie, peut se répliquer et catalyser d'autres réactions chimiques.
Mais les molécules d’ARN elles-mêmes sont constituées de composants plus petits appelés ribonucléotides. Comment ces éléments constitutifs se seraient-ils formés au début de la Terre, puis combinés en ARN ?
Les chimistes comme moi tentent de recréer la chaîne de réactions nécessaires à la formation de l'ARN à l'aube de la vie, mais c'est une tâche difficile. Nous savons que quelle que soit la réaction chimique créée par les ribonucléotides, elle a dû se produire dans l'environnement désordonné et complexe de notre planète il y a des milliards d'années.
J'ai étudié si les réactions « autocatalytiques » pouvaient avoir joué un rôle. Ce sont des réactions qui produisent des produits chimiques qui encouragent la même réaction à se reproduire, ce qui signifie qu'elles peuvent se maintenir dans un large éventail de circonstances.
Dans notre dernier ouvrage publié dans Chemical Science , mes collègues et moi avons intégré l'autocatalyse dans une voie chimique bien connue pour produire les éléments constitutifs des ribonucléotides, ce qui aurait pu se produire de manière plausible avec les molécules simples et les conditions complexes trouvées sur la Terre primitive.
Les réactions autocatalytiques jouent un rôle crucial en biologie, depuis la régulation de nos battements cardiaques jusqu'à la formation de motifs sur les coquillages. En fait, la réplication de la vie elle-même, où une cellule absorbe les nutriments et l'énergie de l'environnement pour produire deux cellules, est un exemple particulièrement compliqué d'autocatalyse.
Une réaction chimique appelée réaction formose, découverte pour la première fois en 1861, est l'un des meilleurs exemples de réaction autocatalytique qui aurait pu se produire au début de la Terre.
Essentiellement, la réaction formose commence avec une molécule d’un composé simple appelé glycolaldéhyde (composé d’hydrogène, de carbone et d’oxygène) et se termine par deux. Le mécanisme repose sur un apport constant d'un autre composé simple appelé formaldéhyde.
Une réaction entre le glycolaldéhyde et le formaldéhyde produit une molécule plus grosse, séparant les fragments qui réinjectent dans la réaction et la maintiennent. Cependant, une fois le formaldéhyde épuisé, la réaction s'arrête et les produits commencent à se dégrader à partir de molécules de sucre complexes en goudron.
La réaction formose partage certains ingrédients communs avec une voie chimique bien connue pour fabriquer des ribonucléotides, connue sous le nom de voie Powner-Sutherland. Cependant, jusqu'à présent, personne n'a essayé de relier les deux, et pour cause.
La réaction formose est connue pour être « non sélective ». Cela signifie qu'il produit beaucoup de molécules inutiles à côté des produits que vous souhaitez.
Dans notre étude, nous avons essayé d’ajouter une autre molécule simple appelée cyanamide à la réaction formose. Cela permet à certaines des molécules produites au cours de la réaction d'être « siphonnées » pour produire des ribonucléotides.
La réaction ne produit toujours pas une grande quantité d’éléments constitutifs des ribonucléotides. Cependant, ceux qu'il produit sont plus stables et moins susceptibles de se dégrader.
Ce qui est intéressant dans notre étude, c'est l'intégration de la réaction formose et de la production de ribonucléotides. Des recherches antérieures ont étudié chacun séparément, ce qui reflète la façon dont les chimistes envisagent habituellement la fabrication de molécules.
De manière générale, les chimistes ont tendance à éviter la complexité afin de maximiser la quantité et la pureté d'un produit. Cependant, cette approche réductionniste peut nous empêcher d'étudier les interactions dynamiques entre différentes voies chimiques.
Ces interactions, qui se produisent partout dans le monde réel en dehors du laboratoire, constituent sans doute le pont entre la chimie et la biologie.
L'autocatalyse a également des applications industrielles. Lorsque vous ajoutez du cyanamide à la réaction formose, un autre produit est un composé appelé 2-aminooxazole, utilisé dans la recherche en chimie et dans la production de nombreux produits pharmaceutiques.
La production conventionnelle de 2-aminooxazole utilise souvent du cyanamide et du glycolaldéhyde, ce dernier étant coûteux. S'il peut être fabriqué à l'aide de la réaction formose, seule une petite quantité de glycolaldéhyde sera nécessaire pour relancer la réaction, réduisant ainsi les coûts.
Notre laboratoire optimise actuellement cette procédure dans l'espoir de pouvoir manipuler la réaction autocatalytique pour rendre les réactions chimiques courantes moins chères et plus efficaces, ainsi que leurs produits pharmaceutiques plus accessibles. Ce ne sera peut-être pas aussi important que la création de la vie elle-même, mais nous pensons que cela pourrait quand même en valoir la peine.
Plus d'informations : Quoc Phuong Tran et al, Vers une synthèse prébiotique de précurseurs de chimioton et de nucléotides pilotée par la réaction autocatalytique du formose, Science chimique (2023). DOI :10.1039/D3SC03185C
Informations sur le journal : Science chimique
Fourni par The Conversation
Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l'article original.
