L'évolution des cellules et des organismes aurait été précédée d'une phase au cours de laquelle des molécules d'information comme l'ADN pourraient être répliquées sélectivement. De nouveaux travaux montrent que les structures en épingle à cheveux font des réplicateurs d'ADN particulièrement efficaces.

Dans le métabolisme de tous les organismes vivants, il existe une division claire du travail :les acides nucléiques (ADN et ARN) transportent les informations nécessaires à la synthèse des protéines, et les protéines assurent les fonctions structurelles et exécutives requises par les cellules, comme la catalyse contrôlée et spécifique de réactions chimiques par des enzymes. Cependant, au cours des dernières décennies, il est devenu clair que cette distinction n'est nullement absolue. En particulier, l'ARN est capable d'ignorer la limite décrite ci-dessus et est connu pour jouer un rôle catalytique dans de nombreux processus importants. Par exemple, certaines molécules d'ARN peuvent catalyser la réplication d'autres acides nucléiques, et cette polyvalence pourrait aider à expliquer comment la vie est née sur Terre.

Les molécules d'acide nucléique sont constituées de sous-unités appelées nucléotides, qui diffèrent par leurs soi-disant bases. Les bases trouvées dans l'ARN sont appelées A, C, G et U (l'ADN utilise T à la place de U). Ces bases se répartissent en deux paires complémentaires, dont les membres interagissent spécifiquement, A avec T (ou U) et G avec C. Cette complémentarité est ce qui explique la stabilité de la double hélice de l'ADN, et permet aux brins simples d'ARN de se plier en des formes complexes.

On pense que la vie a émergé d'un processus d'évolution chimique dans lequel des séquences d'acides nucléiques pourraient être répliquées sélectivement. Ainsi, dans les systèmes prébiotiques, certaines "espèces" moléculaires porteuses d'informations se sont reproduites aux dépens d'autres. Dans les systèmes biologiques, une telle sélectivité est normalement médiée par ce qu'on appelle des amorces - des brins d'acide nucléique qui s'apparient (comme décrit ci-dessus) avec une partie de la molécule à répliquer, pour former une courte double hélice. L'amorce fournit un point de départ pour l'extension de la région double brin pour former un nouveau brin fille. De plus, ce processus peut être reconstitué dans l'éprouvette.

Les avantages et les inconvénients des réplicateurs en épingle à cheveux

Georg Urtel et Thomas Rind, qui sont membres du groupe de recherche dirigé par Dieter Braun (Professeur de Biophysique des Systèmes au LMU), ont utilisé un tel système pour identifier des propriétés qui pourraient favoriser la réplication sélective de molécules d'ADN. Pour leurs expériences, ils ont choisi une séquence d'ADN simple brin qui adopte une structure dite en épingle à cheveux. Dans ces molécules, les séquences de bases à chaque extrémité sont complémentaires les unes des autres, de même que de courts segments de séquence dans le reste de la molécule. Cette distribution de séquences complémentaires amène un tel brin à se replier en une conformation en épingle à cheveux.

Grâce aux règles d'appariement décrites ci-dessus, la réplication d'un seul brin d'ADN produit un second brin dont la séquence diffère de celle du premier. Chaque brin d'une structure non en épingle à cheveux a donc besoin de sa propre amorce pour la réplication. Mais avec des épingles à cheveux, une amorce suffit pour amorcer la synthèse à la fois du brin original et de son brin complémentaire. "Cela signifie que les épingles à cheveux sont des réplicateurs relativement simples, " fait remarquer Georg Urtel. L'inconvénient est que la structure en épingle à cheveux rend la reliure de l'apprêt plus difficile, et cela à son tour limite leur taux de réplication. Les espèces moléculaires dépourvues de structures en épingle à cheveux n'ont pas ce problème.

La coopération bat la concurrence

Dans des expériences ultérieures, les chercheurs ont découvert que deux espèces simples en épingle à cheveux pouvaient coopérer pour donner naissance à un réplicateur beaucoup plus efficace, qui nécessite deux amorces pour son amplification. Les deux espèces d'épingles à cheveux sélectionnées nécessitaient chacune un apprêt différent, mais leurs séquences étaient en partie identiques. Le passage à la réplication coopérative se produit lorsque la réplication de l'une des épingles à cheveux se bloque. "Comme règle, les processus de réplication dans la nature ne sont jamais parfaits, " dit Dieter Braun. " Un tel arrêt prématuré n'est pas quelque chose que l'on doit intégrer dans le système. Cela se produit de manière stochastique et nous l'utilisons dans nos expériences." L'épingle à cheveux partiellement répliquée peut, cependant, se lier à une molécule de la deuxième espèce, et sert d'apprêt qui peut être encore allongé. De plus, le produit résultant ne forme plus une épingle à cheveux. En d'autres termes, il représente une nouvelle espèce moléculaire.

Sauvé de l'extinction

Ces soi-disant « croisements » ont besoin de deux amorces pour leur réplication, mais peut néanmoins être répliqué beaucoup plus rapidement que l'un ou l'autre de leurs ancêtres en épingle à cheveux Pour d'autres expériences ont montré que, lors de la dilution en série de la population, les ADN en épingle à cheveux s'éteignent bientôt. Cependant, l'information de séquence qu'ils contenaient survit dans les croisements et peut être répliquée davantage.

L'expérience inverse a confirmé que l'information est bien conservée :si les croisements sont fournis avec une seule amorce, l'espèce en épingle à cheveux progénitrice correspondante peut encore être reproduite par le type de processus de commutation mentionné ci-dessus. Mais, en l'absence de la deuxième amorce, le croisement s'éteint. "Ainsi, le processus de croisement permet non seulement la transition de réplicateurs « simples et lents » à des réplicateurs plus rapides, il permet également au système de s'adapter aux conditions du moment, " explique Urtel. " Cela suggère également comment les premiers réplicateurs auraient pu coopérer les uns avec les autres dans des conditions prébiotiques avant l'origine des systèmes vivants. "