Des milliards d’années d’évolution ont rendu les cellules modernes incroyablement complexes. À l’intérieur des cellules se trouvent de petits compartiments appelés organites qui remplissent des fonctions spécifiques essentielles à la survie et au fonctionnement de la cellule. Par exemple, le noyau stocke le matériel génétique et les mitochondries produisent de l’énergie.
Un autre élément essentiel d’une cellule est la membrane qui l’entoure. Les protéines intégrées à la surface de la membrane contrôlent le mouvement des substances entrant et sortant de la cellule. Cette structure membranaire sophistiquée tenait compte de la complexité de la vie telle que nous la connaissons. Mais comment les cellules les plus anciennes et les plus simples ont-elles pu maintenir le tout ensemble avant l’évolution des structures membranaires complexes ?
Dans notre recherche récemment publiée dans la revue Science Advances, mes collègues de l’Université de Chicago et de l’Université de Houston et moi-même avons exploré une possibilité fascinante selon laquelle l’eau de pluie aurait joué un rôle crucial dans la stabilisation des premières cellules, ouvrant ainsi la voie à la complexité de la vie.
L’origine de la vie
L’une des questions scientifiques les plus intrigantes est de savoir comment la vie a commencé sur Terre. Les scientifiques se demandent depuis longtemps comment des matières non vivantes comme l’eau, les gaz et les dépôts minéraux se sont transformées en cellules vivantes capables de se répliquer, de se métaboliser et d’évoluer.
Les chimistes Stanley Miller et Harold Urey de l’Université de Chicago ont mené une expérience en 1953 démontrant que des composés organiques complexes – c’est-à-dire des molécules à base de carbone – pouvaient être synthétisés à partir de composés organiques et inorganiques plus simples. En utilisant de l’eau, du méthane, de l’ammoniac, de l’hydrogène gazeux et des étincelles électriques, ces chimistes ont formé des acides aminés.
Les scientifiques pensent que les premières formes de vie, appelées protocellules, ont émergé spontanément à partir de molécules organiques présentes sur la Terre primitive. Ces structures primitives, semblables à des cellules, étaient probablement constituées de deux composants fondamentaux : un matériau matriciel qui fournissait un cadre structurel et un matériel génétique qui transportait les instructions permettant aux protocellules de fonctionner.
Au fil du temps, ces protocellules auraient progressivement développé la capacité de répliquer et d’exécuter des processus métaboliques. Certaines conditions sont nécessaires pour que les réactions chimiques essentielles se produisent, comme une source d’énergie stable, des composés organiques et de l’eau. Les compartiments formés par une matrice et une membrane fournissent un environnement stable capable de concentrer les réactifs et de les protéger de l’environnement extérieur, permettant ainsi aux réactions chimiques nécessaires de se produire.
Ainsi, deux questions cruciales se posent : de quels matériaux étaient constituées la matrice et la membrane des protocellules ? Et comment ont-ils permis aux premières cellules de maintenir la stabilité et la fonction dont elles avaient besoin pour se transformer en cellules sophistiquées qui constituent aujourd’hui tous les organismes vivants ?
Bulles vs gouttelettes
Les scientifiques proposent que deux modèles distincts de protocellules – les vésicules et les coacervats – pourraient avoir joué un rôle central dans les premiers stades de la vie.
Les vésicules sont de minuscules bulles, comme du savon dans l’eau. Ils sont constitués de molécules grasses appelées lipides qui forment naturellement de fines feuilles. Les vésicules se forment lorsque ces feuilles s’enroulent en une sphère capable d’encapsuler des produits chimiques et de protéger les réactions cruciales d’un environnement hostile et d’une dégradation potentielle.
Comme des poches de vie miniatures, les vésicules ressemblent à la structure et à la fonction des cellules modernes. Cependant, contrairement aux membranes des cellules modernes, les protocellules des vésicules manquaient de protéines spécialisées qui permettent sélectivement aux molécules d’entrer et de sortir d’une cellule et de permettre la communication entre les cellules. Sans ces protéines, les protocellules des vésicules auraient une capacité limitée à interagir efficacement avec leur environnement, limitant ainsi leur potentiel de vie.
Les coacervats, quant à eux, sont des gouttelettes formées à partir d’une accumulation de molécules organiques comme les peptides et les acides nucléiques. Ils se forment lorsque des molécules organiques se collent les unes aux autres en raison de propriétés chimiques qui les attirent les unes vers les autres, telles que les forces électrostatiques entre molécules de charges opposées. Ce sont les mêmes forces qui font que les ballons collent aux cheveux.
On peut imaginer les coacervats comme des gouttelettes d’huile de cuisson en suspension dans l’eau. Semblables aux gouttelettes d’huile, les protocellules coacervatées n’ont pas de membrane. Sans membrane, l’eau environnante peut facilement échanger des matériaux avec des protocellules. Cette caractéristique structurelle aide les coacervats à concentrer les produits chimiques et à accélérer les réactions chimiques, créant ainsi un environnement animé pour les éléments constitutifs de la vie.
Ainsi, l’absence de membrane semble faire des coacervats un meilleur candidat protocellulaire que les vésicules. Cependant, l’absence de membrane présente également un inconvénient majeur : le risque de fuite de matériel génétique.
Protocellules instables et qui fuient
Quelques années après que des chimistes néerlandais ont découvert des gouttelettes de coacervat en 1929, le biochimiste russe Alexander Oparin a proposé que les coacervats soient le premier modèle de protocellules. Il a fait valoir que les gouttelettes de coacervat fournissaient une forme primitive de compartimentation cruciale pour les premiers processus métaboliques et l’auto-réplication.
Par la suite, les scientifiques ont découvert que les coacervats peuvent parfois être composés de polymères de charges opposées : de longues molécules en forme de chaîne qui ressemblent à des spaghettis à l’échelle moléculaire, portant des charges électriques opposées. Lorsque des polymères de charges électriques opposées sont mélangés, ils ont tendance à s’attirer et à se coller pour former des gouttelettes sans membrane.
L’absence de membrane représentait un défi : les gouttelettes fusionnaient rapidement les unes avec les autres, à la manière de gouttelettes d’huile individuelles dans l’eau se rejoignant pour former une grosse goutte. De plus, l’absence de membrane a permis à l’ARN – un type de matériel génétique considéré comme la première forme de molécule auto-réplicative, cruciale pour les premiers stades de la vie – d’échanger rapidement entre les protocellules.
Mon collègue Jack Szostak a montré en 2017 que la fusion et l’échange rapides de matériaux peuvent conduire à un mélange incontrôlé d’ARN, rendant difficile l’évolution de séquences génétiques stables et distinctes. Cette limitation suggère que les coacervats pourraient ne pas être en mesure de maintenir la compartimentation nécessaire au début de la vie.
La compartimentation est une exigence stricte pour la sélection naturelle et l’évolution. Si les protocellules coacervatées fusionnaient sans cesse et que leurs gènes se mélangeaient et s’échangeaient continuellement les uns avec les autres, ils se ressembleraient tous sans aucune variation génétique. Sans variation génétique, aucune protocellule n’aurait une probabilité plus élevée de survie, de reproduction et de transmission de ses gènes aux générations futures.
Mais la vie d’aujourd’hui prospère grâce à une variété de matériel génétique, ce qui suggère que la nature a résolu ce problème d’une manière ou d’une autre. Il fallait donc trouver une solution à ce problème, éventuellement cachée à la vue de tous.
Eau de pluie et ARN
Une étude que j’ai menée en 2022 a démontré que les gouttelettes de coacervat peuvent être stabilisées et éviter la fusion si elles sont immergées dans de l’eau déminéralisée – une eau exempte d’ions et de minéraux dissous. Les gouttelettes éjectent de petits ions dans l’eau, permettant probablement aux polymères de charge opposée situés à la périphérie de se rapprocher les uns des autres et de former une couche cutanée maillée. Ce « mur » maillé empêche efficacement la fusion des gouttelettes.
Ensuite, avec mes collègues et collaborateurs, dont Matthew Tirrell et Jack Szostak, j’ai étudié l’échange de matériel génétique entre protocellules. Nous avons placé deux populations de protocellules distinctes, traitées avec de l’eau déminéralisée, dans des tubes à essai. L’une de ces populations contenait de l’ARN. Lorsque les deux populations étaient mélangées, l’ARN restait confiné dans leurs protocellules respectives pendant plusieurs jours. Les « parois » maillées des protocellules empêchaient la fuite de l’ARN.
En revanche, lorsque nous mélangeions des protocellules qui n’étaient pas traitées avec de l’eau désionisée, l’ARN se diffusait d’une protocellule à l’autre en quelques secondes.
Inspiré par ces résultats, mon collègue Alamgir Karim s’est demandé si l’eau de pluie, qui est une source naturelle d’eau sans ions, aurait pu faire la même chose dans le monde prébiotique. Avec une autre collègue, Anusha Vonteddu, j’ai découvert que l’eau de pluie stabilise effectivement les protocellules contre la fusion.
Nous pensons que la pluie a peut-être ouvert la voie aux premières cellules.
Travailler dans plusieurs disciplines
L’étude des origines de la vie répond à la fois à la curiosité scientifique sur les mécanismes qui ont conduit à la vie sur Terre et aux questions philosophiques sur notre place dans l’univers et la nature de l’existence.
Actuellement, mes recherches portent sur le tout début de la réplication des gènes dans les protocellules. En l’absence des protéines modernes qui font des copies des gènes à l’intérieur des cellules, le monde prébiotique se serait appuyé sur de simples réactions chimiques entre les nucléotides – les éléments constitutifs du matériel génétique – pour faire des copies de l’ARN. Comprendre comment les nucléotides se sont réunis pour former une longue chaîne d’ARN est une étape cruciale dans le déchiffrement de l’évolution prébiotique.
Pour répondre à la profonde question de l’origine de la vie, il est crucial de comprendre les conditions géologiques, chimiques et environnementales qui régnaient sur la Terre il y a environ 3,8 milliards d’années. Ainsi, la découverte des débuts de la vie ne se limite pas aux biologistes. Des ingénieurs chimistes comme moi et des chercheurs de divers domaines scientifiques explorent cette question existentielle captivante.
Cet article est republié par The Conversation, une organisation de presse indépendante à but non lucratif qui vous présente des faits et des analyses fiables pour vous aider à donner un sens à notre monde complexe. Il a été écrit par : Aman Agrawal, École Pritzker d’ingénierie moléculaire de l’Université de Chicago
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Aman Agrawal ne travaille pas, ne consulte pas, ne détient pas d’actions ni ne reçoit de financement d’une entreprise ou d’une organisation qui bénéficierait de cet article, et n’a divulgué aucune affiliation pertinente au-delà de sa nomination universitaire.