Les biochimistes se demandent si la fin de l'ère de l'ARN approche

Pendant des décennies, la théorie de l'origine de la vie avec l'ARN dans le rôle principal a occupé une position de leader. De nouvelles recherches pourraient ébranler la confiance dans l'origine de la vie sur la base de cette théorie.

Une théorie populaire prétend que la vie est venue d'une soupe riche en produits chimiques dans laquelle l'ARN a commencé à se reproduire. Mais une combinaison de peptides et d'ARN peut être plus efficace

Il y a quatre milliards d'années, encerclant la soupe chimique préhistorique de la Terre, les premiers précurseurs moléculaires de la vie sont apparus. Bien que la définition exacte de ces molécules reste un sujet de débat agacé, les scientifiques conviennent que ces molécules devaient mener deux actions principales: enregistrer les informations et catalyser les réactions chimiques. Les cellules modernes transfèrent ces pouvoirs, respectivement, à l'ADN et à ses protéines - mais selon l'explication populaire qui prévaut dans les études modernes sur l'origine de la vie et les manuels de biologie, l' ARN a été le premier à jouer ce rôle, ouvrant la voie à l'ADN et aux protéines qui ont assumé ces fonctions plus tard.

Cette hypothèse, proposée dans les années 1960 et surnommée le « monde de l'ARN » deux décennies plus tard, est désormais considérée comme l'explication la plus probable du début de la vie. Il existe également suffisamment de "mondes" alternatifs, mais ils sont généralement considérés comme des théories de réserve, des envolées illusoires de l'imagination et des expériences de pensée bizarres.

Principalement parce que l'hypothèse du monde de l'ARN est étayée par un grand nombre de preuves expérimentales que ses concurrents ont obtenues. Le mois dernier, nous avons présenté une théorie alternative , selon laquelle les molécules de type protéine pourraient être les premières molécules auto-reproductrices à la place de l'ARN. Mais ces résultats étaient purement informatiques - alors les chercheurs commençaient tout juste des expériences à la recherche de preuves en faveur de leurs déclarations.

Maintenant, quelques chercheurs ont avancé une autre théorie - impliquant cette fois l'évolution conjointe de l'ARN et des peptides - qui, espèrent-ils, pourrait ébranler les fondements du monde de l'ARN.

Pourquoi l'ARN manquait

Des articles récents publiés dans les revues Biosystems et Molecular Biology and Evolution décrivent schématiquement des preuves que l'hypothèse du monde ARN ne fournit pas de preuves suffisantes pour des événements évolutifs ultérieurs. Au lieu de cela, explique Charles Carter , biologiste des structures à l'Université de Caroline du Nord, l'un des auteurs de l'ouvrage, leur modèle fait une proposition appropriée. «Jamais un seul polymère ne pourrait exécuter tous les processus nécessaires à ce qui est maintenant caractérisé par nous comme faisant partie de la vie», ajoute-t-il.


Charles Carter, biologiste des structures, Université de Caroline du Nord

Et ce polymère unique ne pouvait pas être de l'ARN, selon des études menées par son équipe. La principale objection à cette molécule est la catalyse : certaines études ont montré que pour que la vie commence à fonctionner, le mystérieux polymère devait être capable de coordonner la vitesse des réactions chimiques qui peuvent aller avec des vitesses variant en amplitude de 20 ordres de grandeur. Même si l'ARN a réussi à le faire dans le monde prébiologique, ses capacités en tant que catalyseur auraient dû s'adapter aux températures de combustion - de l'ordre de 100 ° C - qui prévalaient sur la Terre primitive. Lorsque la planète a commencé à se refroidir, l'ARN, selon Carter, n'a pas pu évoluer et maintenir la synchronisation. Une symphonie de réactions chimiques allait bientôt s'effondrer.

Le plus probablement, le plus important, le monde avec l'ARN seul n'explique pas l'apparition du code génétique que la grande majorité des organismes vivants utilisent aujourd'hui pour transférer des informations génétiques aux protéines. Le code prend chacune des 64 séquences d'ARN trinucléotidiques possibles et les combine avec l'un des 20 acides aminés utilisés pour créer les protéines. Choisir un ensemble de règles suffisamment fiables pour accomplir une telle tâche prendrait trop de temps pour l'ARN seul, dit Peter Wills, co-auteur de Carter de l'Université d'Auckland en Nouvelle-Zélande - si le monde de l'ARN pouvait atteindre un tel état que cela lui semble peu probable. Du point de vue de Wills, l'ARN pourrait devenir un catalyseur pour sa propre formation, ce qui le rendrait «chimiquement réflexif», mais il lui manquait une «réflexivité computationnelle».


Peter Wills, biophysicien à l'Université d'Auckland en Nouvelle-Zélande

"Un système qui utilise les informations de la même manière que les organismes utilisent les informations génétiques - pour synthétiser leurs propres composants - doit contenir des informations réfléchissantes", a déclaré Wills. Les informations réfléchissantes, par leur définition, sont des informations telles que «étant encodées dans le système, elles créent des composants qui effectuent ce décodage particulier». L'ARN de l'hypothèse du monde des ARN, a-t-il ajouté, est une chimie simple car il est incapable de contrôler sa chimie. «Le monde de l'ARN ne vous dit rien sur la génétique», a-t-il déclaré.

La nature devait trouver un autre moyen, le meilleur raccourci pour créer le code génétique. Carter et Wills pensent avoir ouvert ce raccourci. Cela dépend d'une petite boucle de rétroaction qui ne se développerait pas seulement à partir de l'ARN, mais pourrait émerger d'un complexe de peptides et d'ARN.

Apporter des peptides aux entreprises

Carter a trouvé des indices de ce complexe au milieu des années 1970 quand il a appris à l'institut que certaines structures trouvées dans la plupart des protéines sont «droitières». Les atomes dans les structures pourraient être organisés de deux manières équivalentes, qui sont spéculairement différentes les unes des autres, mais toutes les structures n'utilisent qu'une seule méthode. La plupart des acides nucléiques qui composent l'ADN et l'ARN sont également droitiers. Carter a commencé à considérer les ARN et les polypeptides comme des structures complémentaires, et a modélisé un complexe dans lequel «ils ont été créés l'un pour l'autre, comme une main et un gant».

Cela implique la possibilité d'un codage élémentaire, base de l'échange d'informations entre l'ARN et les polypeptides. Il a travaillé sur des croquis de ce à quoi pourrait ressembler ce processus, en extrapolant à partir d'un code génétique moderne et beaucoup plus complexe. Lorsque l'hypothèse, qui a été appelée le «monde de l'ARN» en 1986, a gagné en popularité, Carter, par son aveu, n'a pas été résolue. Il lui semblait que son univers de peptides et d'ARN, proposé dix ans plus tôt, avait été complètement ignoré.

Depuis lors, lui, Wills et d'autres ont collaboré à une théorie revenant à cette étude. Leur objectif principal était de déduire le code génétique le plus simple qui précède le moderne, le plus spécifique et le plus complexe. Par conséquent, ils se sont tournés non seulement vers les calculs, mais aussi vers la génétique.

Leur théorie est basée sur 20 molécules de «charge», les aminoacyl-ARNt synthétases . Ces enzymes catalytiques permettent à l'ARN de se lier à certains acides aminés conformément aux règles du code génétique. «Dans un sens, le code génétique est inscrit dans les caractéristiques des points actifs» de ces enzymes, explique Jenny Hofmeir, biochimiste à l'Université de Stellenbosch en Afrique du Sud, qui n'était pas impliquée dans l'étude.

Des études antérieures ont montré que 20 enzymes peuvent être également réparties en deux groupes de 10 pièces en fonction de leur structure et de leurs séquences. Ces deux classes d'enzymes ont certaines séquences codant pour des acides aminés mutuellement exclusifs - c'est-à-dire que ces enzymes auraient dû apparaître à partir des chaînes complémentaires d'un gène ancien. Carter, Wills et ses collègues ont découvert que dans ce cas, les peptides codés par l'ARN en utilisant un ensemble de seulement deux règles (ou, en d'autres termes, utilisaient deux types d'acides aminés). Les peptides résultants ont maintenu les mêmes règles qui régissent le processus de transmission, ce qui crée une boucle de rétroaction clé pour cette théorie.


Monde des peptides d'ARN

La vie pourrait émerger de l'interaction de l'ARN et des peptides qui ont agi comme le premier code génétique. Une boucle de réaction auto-entretenue créerait des enzymes en choisissant parmi seulement deux types d'acides aminés au lieu des 20 types trouvés dans les protéines modernes.

1) Les «enzymes de charge» coïncident avec les séquences de bases dans l'ARN et aident à créer des chaînes de peptides à partir des acides aminés liés de la première (rouge) et de la deuxième (verte) classe
2) Les chaînes peptidiques se replient en formes fonctionnelles
3) Selon la forme de la chaîne, les acides aminés de la première ou de la deuxième classe sont sélectionnés et deviennent des enzymes de charge active.
4) Les enzymes interagissent avec l'ARN et fournissent des acides aminés aux chaînes de formation

Théorème de Gödel et chimie de la vie

Carter voit beaucoup de similitudes entre cette boucle et la boucle dans les mathématiques décrites par le philosophe et mathématicien Kurt Gödel , dont le théorème d'incomplétude postule que des déclarations qui ne peuvent pas être prouvées ou réfutées par le système lui-même apparaîtront nécessairement dans n'importe quel système logique. "Je crois que l'analogie avec le théorème de Godel fournit un argument assez fort pour l'inévitabilité", a déclaré Carter.

Dans des travaux récents, Carter et Wills montrent que leur monde de peptides d'ARN résout des problèmes avec des lacunes dans l'histoire de l'origine de la vie qu'un seul ARN est incapable d'expliquer. "Ils fournissent des preuves théoriques et expérimentales fiables que l'ARN et les peptides ont été impliqués dans la génération du code génétique depuis le tout début", a déclaré Hofmeir, "et que le métabolisme, la création par copie, transmission et reproduction, doit avoir évolué ensemble."



Bien sûr, le modèle Carter-Wills commence par un code génétique, dont l'existence implique des réactions chimiques complexes, qui incluent des molécules telles que l'ARN de transport et les enzymes de charge. Les chercheurs affirment que dans les événements précédant leur scénario proposé, l'interaction de l'ARN et des peptides était impliquée. Cependant, cette hypothèse laisse beaucoup de questions ouvertes sur la façon dont une telle chimie a commencé et à quoi elle ressemblait.

Pour répondre à ces questions, il existe de nombreuses théories qui vont bien au-delà du monde de l'ARN. Certains scientifiques adoptent même une approche opposée à celle de Carter et Wills: ils pensent que les premières étapes du développement de la vie ne ressemblent pas nécessairement à la chimie qui existe aujourd'hui. Doron Lancet , chercheur en génome au Wizman Institute of Science en Israël, propose une théorie alternative basée sur l'assemblage de lipides qui catalysent l'entrée et la sortie de diverses molécules. Les informations ne sont pas transmises par des séquences génétiques, mais par des compositions lipidiques.

Comme le modèle Carter-Wills, l'idée Lancet ne comprend pas un type de molécule, mais un grand nombre d'entre elles. "De plus en plus de preuves sont rassemblées", explique Lancet, "capables de confirmer cette hypothèse alternative." Jusqu'à présent, les scientifiques n'ont pas décidé ce qui s'est exactement passé aux origines de la vie, mais, apparemment, ils commencent à s'éloigner d'une histoire dans laquelle il y avait exclusivement un ARN. "Nous n'avons qu'à mettre quelques œufs dans le panier d'ARN", a déclaré Hofmeir.