La question de savoir comment la vie sur Terre est apparue pour la première fois est une question que les humains se posent depuis des temps immémoriaux. Alors que les scientifiques sont relativement confiants quant au moment où cela s'est produit, il n'y a pas eu de réponse définitive quant à la raison pour laquelle cela s'est produit. Comment les acides aminés, éléments constitutifs chimiques de la vie, se sont-ils réunis il y a environ quatre milliards d'années pour créer les premières molécules de protéines?
Bien que cette question soit toujours sans réponse, les scientifiques font de nouvelles découvertes qui pourraient aider à la réduire. Par exemple, une équipe de chercheurs du Center for Chemical Evolution (CCT) du Georgia Institute of Technology a récemment mené une étude qui a montré comment certains des premiers prédécesseurs de la molécule de protéine se sont spontanément liés pour former une chaîne.
L'étude a récemment paru dans le Actes de l'Académie nationale des sciences. L'étude a été dirigée par le Dr Moran Frenkel-Pinter de Georgia Tech et a inclus plusieurs chercheurs du CCT - qui est soutenu par la NASA et la National Science Foundation (NSF) - avec l'aide du Dr Luke Leman et professeur adjoint de chimie à Scripps Research, un institut de recherche médicale à but non lucratif.
Pendant des décennies, les scientifiques ont eu des théories sur la façon dont les premiers acides aminés se sont réunis pour former des molécules de protéines. Malheureusement, toutes les tentatives pour vérifier ces théories ont jusqu'à présent échoué. Comme l'a expliqué le Dr Leman:
«Comment la chimie a conduit à la vie complexe est l'une des questions les plus fascinantes que l'humanité ait réfléchies. Il existe de nombreuses théories sur les origines des protéines, mais pas autant de soutien expérimental en laboratoire à ces idées. »
Pour leur étude, l'équipe de recherche a mené une expérience où une petite sélection d'acides aminés (lysine, arginine et histidine) a été placée avec trois acides aminés concurrents non biologiques. Les acides ont ensuite été soumis à des conditions similaires à ce que l'on pense avoir existé sur Terre pendant l'Eon Hadéen (il y a environ 4 milliards d'années).
Cela consistait à mettre les acides aminés sélectionnés dans de l'eau contenant des hydroxyacides, connus pour faciliter les réactions des acides aminés et qui auraient été courants sur Terre prébiotique. Le mélange a ensuite été chauffé à 85 °C (185 °F), ce qui a accéléré le processus de réaction et provoqué l'évaporation de l'eau. Les réactions chimiques résultantes ont ensuite été étudiées.
À leur grande surprise, les acides aminés biologiques se sont spontanément formés en segments nets qui se liaient ensemble via des groupes a-amines. Ces groupes sont ceux qui sont constitués d'azote et d'hydrogène et sont assez réactifs. Cependant, ils font également partie du noyau d'acides aminés et d'autres amines qui forment des chaînes latérales qui s'étendent du noyau (qui ont été utilisées dans cette expérience) sont souvent plus réactives. Frenkel-Pinter a déclaré:
«Cela nous a surpris que cette chimie favorise la connexion a-amine trouvée dans les protéines, même si les principes chimiques auraient pu nous faire croire que la connexion non protéique serait favorisée. La préférence pour la liaison de type protéique par rapport aux non-protéines était d'environ sept pour un. »
Une autre surprise a été le fait que les acides aminés biologiques ont battu les acides non biologiques en termes de réactivité. Ces derniers acides, qui ne se trouvent pas aujourd'hui dans les protéines, avaient le potentiel de réagir chimiquement aussi bien (ou mieux que) les agents biologiques. De plus, l'équipe prévoyait que l'inclusion de ces acides donnerait aux biologiques une course pour leur argent et pourrait même conduire à la c
Cependant, les réactions ont principalement entraîné la formation de peptides (deux ou plusieurs blocs de construction d’acides aminés liés entre eux) qui étaient plus proches des protéines actuelles. En particulier, les chercheurs pensaient que les acides aminés non biologiques seraient plus compétitifs que l'acide aminé biologique connu sous le nom de lysine et que la lysine ne pourrait pas former de chaînes de manière fiable.
Dans les deux cas, ils se sont trompés et ont plutôt constaté que la lysine pénétrait principalement dans les chaînes d'une manière similaire à ce qui se passe avec les protéines aujourd'hui. À partir de cela, l'équipe a émis l'hypothèse que les chaînes d'acides aminés préfabriquées qui sont utiles dans les systèmes vivants ont évolué avant que la vie ait trouvé un moyen de fabriquer des protéines.
Le fait que leur expérience ait montré que les acides aminés biologiques sont préférés aux acides non biologiques peut également offrir un nouvel aperçu des raisons pour lesquelles seulement 20 acides aminés sont entrés dans la formation de la vie. Les scientifiques pensent qu'il y avait plus de 500 acides naturels présents sur Terre pendant l'Eon Hadéen. Comme l'explique Loren Williams, professeur de biochimie à Georgia Tech,
«Notre idée est que la vie a commencé avec les nombreux éléments constitutifs qui étaient là et en a sélectionné un sous-ensemble, mais nous ne savons pas combien a été sélectionné sur la base de la chimie pure ou combien de processus biologiques ont fait la sélection. En regardant cette étude, il semble que la biologie d'aujourd'hui puisse refléter ces premières réactions chimiques prébiotiques plus que nous ne le pensions. "
«Dans la Terre prébiotique, il y aurait eu un ensemble beaucoup plus important d'acides aminés. Y a-t-il quelque chose de spécial à propos de ces 20 acides aminés, ou est-ce qu'ils ont juste été gelés à un moment donné par l'évolution? En bref, l'expérience suggère que les types d'acides aminés utilisés dans les protéines sont plus susceptibles de se lier ensemble car ils réagissent ensemble plus efficacement et ont peu de réactions secondaires inefficaces.
En bref, l'expérience suggère que les types d'acides aminés utilisés dans les protéines sont plus susceptibles de se lier ensemble car ils réagissent ensemble plus efficacement et ont peu de réactions secondaires inefficaces. Il confère également une crédibilité supplémentaire à la théorie selon laquelle la plupart des polymères biologiques se sont formés dans des cycles humides et secs, ce que les chercheurs du CCT ont
Cette théorie, qui affirme que les premières protéines se sont produites sur des saletés balayées par la pluie ou des roches au bord du lac cuites au soleil, est en contradiction avec le récit plus conventionnel selon lequel les éléments constitutifs de la vie reposent sur des événements rares et cataclysmiques, ainsi que sur de multiples ingrédients dans pour émerger. En montrant qu'il s'agissait probablement d'un processus beaucoup plus simple, cette recherche pourrait nous rapprocher d'un pas vers la révélation de ce mystère séculaire.
Cela pourrait également avoir des implications dans la recherche de la vie au-delà de la Terre. Si les éléments constitutifs de la vie sont naturellement réactifs et attirés les uns par les autres, cela augmente probablement les chances que des réactions chimiques similaires se produisent ailleurs dans l'Univers!
