Il y a cent cinquante ans, Charles Darwin ont émis l’hypothèse que la vie provenait probablement d’un petit étang chaud. Là, supposait Darwin, des réactions chimiques et un coup de foudre étrange auraient pu conduire à des chaînes d’acides aminés qui, au fil du temps, sont devenues de plus en plus complexes jusqu’à l’apparition des débuts de la vie.
Hayley Boigenzahn est doctorante au département de génie chimique et biologique de l’UW-Madison. Son enquête sur un processus environnemental potentiel sur la voie de l’émergence de la vie sur Terre a été publiée dans le numéro de décembre 2020 de la revue Origins of Life and Evolution of Biospheres. Crédit image : UW-Madison
Depuis, les chercheurs ont étudié ce type de chimie pré-vie ou «prébiotique», essayant de comprendre les voies chimiques qui auraient pu conduire d’un bassin rempli d’acides aminés simples à des bactéries, des séquoias et des humains.
Premiers pas cruciaux sur le chemin de la vie
Après une série d’expériences, Hayley Boigenzahn, doctorante en génie chimique à l’Université du Wisconsin-Madison, et Jean Yin, professeur de génie chimique et biologique et membre fondateur du Wisconsin Institute for Discovery, peut expliquer comment l’une des premières étapes potentiellement cruciales sur le chemin de la vie a pu se produire. Ils ont publié leurs découvertes dans le numéro de la revue Origines de la vie et évolution des biosphères.
Dans une célèbre étude de 1952 appelée l’expérience Miller-Urey, les chercheurs ont simulé les conditions supposées être présentes sur la Terre prébiotique, y compris certains rapports d’eau, de méthane, d’hydrogène et d’autres éléments. Lorsqu’ils ont été zappés d’électricité pour simuler la foudre, les chercheurs ont découvert que la réaction produisait des acides aminés, suggérant que ces molécules étaient largement présentes sur la Terre prébiotique.
« Nous savons que les acides aminés sont les éléments constitutifs des protéines et que les protéines sont essentielles à la vie », déclare Yin. « Dans la chimie prébiotique, la question a longtemps été de savoir comment nous pouvions faire en sorte que ces choses forment des liens et des chaînes d’une manière qui pourrait éventuellement conduire à une cellule vivante. La question est difficile car la chimie particulière impliquée a tendance à échouer en présence d’eau.
Dans son expérience, Boigenzahn a cherché à savoir s’il était possible que ces acides aminés se soient réunis pendant des périodes de changement environnemental – par exemple, lorsqu’une mare d’eau s’est évaporée. En présence d’un activateur chimique, ces acides aminés pourraient se lier ensemble en peptides ou en courtes chaînes d’acides aminés.
Pour étudier comment les acides aminés pourraient former des liaisons pendant le processus de séchage, Boigenzahn a créé des solutions de l’acide aminé glycine et du trimétaphosphate. Cet activateur est créé naturellement lors des processus volcaniques. À l’aide d’un radiateur pour évaporer la solution, Boigenzahn a observé ce qui arrivait aux acides aminés pendant 24 heures.
Ce qu’elle a découvert était un processus en deux étapes. Dans la première étape, lorsque le pH de la solution était alcalin, la glycine s’est combinée en unités à deux molécules appelées dimères, qui sont également des protons produits, rendant le pH de la solution neutre. Dans la deuxième étape, au fur et à mesure de l’évaporation, les dimères ont commencé à se lier pour former des chaînes peptidiques plus longues, appelées oligoglycine.
Il est facile d’imaginer un scénario dans lequel les acides aminés d’une source chaude chauffée par un volcan contenant un activateur se combinent d’abord en dimères. Puis, à mesure que l’eau s’évapore et que sa chimie change, les dimères se lient et commencent à se former en chaînes plus longues d’acides aminés.
« Ce que nous montrons ici, c’est qu’il n’est pas nécessaire que ce soit le même environnement pour toutes les réactions », explique Boigenzahn. « Ils peuvent se produire dans différents environnements, à condition que les réactions qui se produisent contribuent à créer un environnement bénéfique pour les prochaines étapes. »
Grâce à plusieurs cycles humides-secs, il est possible que les chaînes peptidiques se soient allongées de plus en plus. Finalement, ils auraient pu commencer à se replier sur eux-mêmes, formant des enzymes ou des protéines qui catalysent les réactions chimiques. Cela pourrait préparer le terrain pour des protéines plus complexes et les débuts du métabolisme.
Boigenzahn et Yin disent tous deux qu’il faudra beaucoup de temps avant que les chercheurs ne découvrent un chemin possible entre le petit étang chaud de Darwin et les débuts de la vie. Mais, en particulier pour les ingénieurs chimistes, l’effort d’étudier la chimie prébiotique pourrait être très rentable.
« Si vous comprenez vraiment cette chimie, qui est différente de la biologie traditionnelle, vous pourriez éventuellement créer des systèmes chimiques capables de stocker des informations, de s’adapter et d’évoluer », explique Yin. « L’ADN stocke des informations à des milliers de fois la densité d’une puce informatique. Si nous pouvions obtenir des systèmes qui font cela sans nécessairement être des cellules vivantes, alors vous commenceriez à penser à toutes sortes de nouvelles fonctions et processus se produisant au niveau moléculaire.
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