Betül Kacar dans son laboratoire. Crédit :Betül Kacar
Les ordinateurs simulent les versions ancestrales de la protéine la plus commune sur Terre, donnant aux scientifiques un regard sans précédent sur le développement au début de la vie de l'exploitation de l'énergie du Soleil et de la production d'oxygène.
Ces découvertes pourraient faire la lumière sur l'évolution de la vie extraterrestre ailleurs dans l'Univers, les chercheurs ont dit. Ils ont récemment détaillé leurs conclusions dans la version en ligne de la revue Géobiologie .
Photosynthèse, qui utilise l'énergie de la lumière du soleil pour créer des sucres et d'autres molécules organiques à base de carbone à partir de dioxyde de carbone gazeux, a joué un rôle majeur dans l'histoire de la Terre. La photosynthèse soutient l'existence de plantes et d'autres organismes photosynthétiques sur les terres et les mers de la Terre, qui à son tour entretient des réseaux complexes de vie animale et autre. Il génère également le gaz oxygène qui a chimiquement altéré la face de la planète.
Bien que l'oxygène représente actuellement environ un cinquième de l'atmosphère terrestre, très tôt dans l'histoire de la planète, l'oxygène était rare. "Notre planète a, pour une grande partie de son histoire, ressemblait à un endroit tout à fait étranger, " dit Betul Kacar, biologiste évolutionniste et astrobiologiste à l'Université Harvard.
La première fois que l'élément a envahi l'atmosphère terrestre dans une large mesure, c'était il y a environ 2,5 milliards d'années, lors de ce qu'on appelle le grand événement d'oxydation. Des recherches antérieures suggèrent que ce saut dans les niveaux d'oxygène était presque certainement dû aux cyanobactéries - des microbes qui, comme les plantes, photosynthétiser et produire de l'oxygène.
L'étude de l'évolution de la vie dans les conditions extraterrestres du passé lointain de la Terre peut faire la lumière sur « des conditions qui pourraient s'aligner plus étroitement sur la température ou les compositions atmosphériques d'une grande variété de planètes en dehors de notre système solaire, " a déclaré Kacar. En d'autres termes, la recherche sur les premiers temps de la vie sur Terre pourrait nous aider à comprendre une éventuelle vie extraterrestre sur des exoplanètes lointaines.
La première étape majeure de la photosynthèse est déclenchée par une enzyme connue sous le nom de Rubisco. Des recherches antérieures ont suggéré que Rubisco est probablement la protéine la plus abondante sur Terre.
Les scientifiques ont prédéfini un modèle de Rubisco ancestral, où les séquences ont considérablement varié dans le temps mais les structures correspondantes sont restées relativement conservées. Les séquences variaient en termes d'importance fonctionnelle, régions sensibles à l'oxygène, surligné en vert et bleu sur la figure, entre les ancêtres du Groupe I/III et le Groupe I de la famille Rubisco. Crédit :Betül Kacar
"Le travail de Rubisco est de capter le dioxyde de carbone de l'environnement afin qu'il puisse être transformé en matière biologique, " a déclaré Kacar.
De nombreuses versions de Rubisco existent dans un large éventail d'organismes, des plantes aux bactéries. Beaucoup reste incertain quant à l'évolution de Rubisco et à la façon dont il s'est diversifié au fil du temps en raison des maigres archives fossiles des débuts de la vie sur Terre. En savoir plus sur l'évolution de Rubisco pourrait faire la lumière sur ce qu'était la photosynthèse précoce et sur les changements qu'elle a entraînés sur Terre. De telles découvertes pourraient donner un aperçu des effets que les versions extraterrestres de la photosynthèse pourraient avoir sur des planètes lointaines.
Pour comprendre l'arbre généalogique de Rubisco, Kacar et ses collègues ont utilisé des modèles informatiques pour analyser les structures moléculaires de différentes versions de Rubisco. La comparaison et le contraste de différentes versions de Rubisco peuvent faire la lumière sur la proximité ou l'éloignement de toutes ces protéines les unes par rapport aux autres.
Ce travail a aidé les scientifiques à déduire les structures possibles d'anciens membres de l'arbre généalogique de Rubisco. Les scientifiques ont ensuite ressuscité ces protéines ancestrales sur ordinateur pour voir comment ces structures auraient pu se comporter autrefois.
Il existe quatre grands groupes, ou des formes de protéines Rubisco et Rubisco-like. Les scientifiques se sont concentrés sur les groupes dits de forme I et de forme III. Les protéines de forme I sont associées à l'oxia, ou de l'air chargé en oxygène, et incluent les formes de Rubisco qui sont dominantes aujourd'hui. Les enzymes de forme III sont associées à l'anoxie, ou un manque d'oxygène, et des recherches antérieures ont suggéré qu'ils pourraient être les ancêtres de tous les autres groupes Rubisco.
Les nouvelles découvertes suggèrent que Rubisco a apparemment subi de nombreux changements au cours de la divergence entre les types de Rubisco de forme I et de forme III. Cela suggère que l'oxygène, qui était toxique au début de la vie sur Terre, a stimulé ces changements. Plus précisément, les chercheurs suggèrent que certaines formes de Rubisco se sont adaptées à la présence de l'oxygène qu'elle a indirectement contribué à générer. Ces formes de Rubisco se sont développées afin de ne pas confondre l'oxygène avec le dioxyde de carbone.
"Le dioxyde de carbone et l'oxygène ont à peu près la même taille et ont des caractéristiques chimiques similaires, donc Rubisco peut confondre les deux molécules, " a déclaré Kacar. " Lorsque Rubisco absorbe de l'oxygène au lieu du dioxyde de carbone, il n'est pas possible de faire de la biomasse car il n'y a pas de carbone dans l'oxygène."
Finalement, les chercheurs veulent créer des microbes qui possèdent des versions ancestrales de Rubisco. Ils peuvent ensuite comparer les caractéristiques chimiques de ces microbes aux compositions chimiques des roches anciennes pour en savoir plus sur les événements qui auraient pu se produire au début de la Terre, dit Kacar.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du magazine Astrobiology de la NASA. Explorez la Terre et au-delà sur www.astrobio.net .
