L'origine de la vie: l'évolution darwinienne a-t-elle commencé avant la vie elle-même?

Une étude menée par des scientifiques de l'Université de Munich montre que les caractéristiques fondamentales des molécules polymères, telles que leur composition en sous-unités, sont suffisantes pour déclencher des processus de sélection dans un contexte prébiotique probable.

Avant l'apparition de la vie sur Terre, de nombreux processus physiques et chimiques sur notre planète étaient extrêmement chaotiques. De nombreux petits composés et polymères de longueur variable, constitués de sous-unités (telles que les bases trouvées dans l'ADN et l'ARN) étaient présents dans toutes les combinaisons imaginables.

Avant que des processus chimiques semblables à la vie puissent survenir, le niveau de chaos dans ces systèmes devait être réduit. Dans une nouvelle étude, la physique LMU, dirigée par Dieter Brown, a montré que les propriétés de base des polymères simples, ainsi que certains aspects de l'environnement prébiotique, peuvent conduire à des processus de sélection qui réduisent le désordre.

Dans des publications précédentes, l'équipe de recherche de Brown a exploré comment l'ordre spatial pouvait évoluer dans des chambres étroites et remplies d'eau dans des roches volcaniques poreuses sur le fond marin.

Ces études ont montré qu'en présence d'une différence de température et d'un phénomène convectif appelé effet Soret, les brins d'ARN peuvent s'accumuler localement de plusieurs ordres de grandeur, selon la longueur. «Le problème est que les séquences de base des molécules plus longues que nous obtenons sont complètement chaotiques», explique Brown.

Les ribozymes évolués (enzymes à base d'ARN) ont une séquence de bases très spécifique qui permet aux molécules de se plier dans des formes spécifiques, tandis que la grande majorité des oligomères formés sur la Terre primitive avaient très probablement des séquences aléatoires.

«Le nombre total de séquences de base possibles, appelé« espace de séquence », est incroyablement grand», déclare Patrick Koudella, le premier auteur du nouveau rapport.

"Cela rend presque impossible l'assemblage de structures complexes, caractéristiques de ribozymes fonctionnels ou de molécules comparables, par un processus purement aléatoire." Cela a conduit l'équipe LMU à soupçonner que l'expansion des molécules pour former des «oligomères» plus gros est soumise à une sorte de mécanisme de présélection.

Dans les premiers jours de la vie, il n'y avait que quelques processus physiques et chimiques très simples par rapport aux mécanismes complexes de réplication cellulaire, le choix des séquences doit donc être basé sur l'environnement et les propriétés des oligomères.

C'est là qu'intervient les recherches du groupe de Brown. Il est important pour la fonction catalytique et la stabilité des oligomères qu'ils forment des doubles brins similaires à la structure hélicoïdale bien connue de l'ADN. C'est une propriété élémentaire de nombreux polymères et permet de créer des complexes à la fois avec des parties à deux brins et à simple brin. Les pièces monocaténaires peuvent être réparées de deux manières.

Premièrement, par la soi-disant polymérisation, dans laquelle les brins se terminent par des bases simples pour former des doubles brins complets. L'autre est ce que l'on appelle le bandage. Dans ce processus, les oligomères plus longs sont liés entre eux. Ici, à la fois des parties double brin et simple brin sont formées, qui fournissent une croissance supplémentaire de l'oligomère.

«Notre expérience commence avec un grand nombre de brins d'ADN courts, et dans notre système modèle pour les oligomères précoces, nous n'utilisons que deux bases complémentaires - l'adénine et la thymine», explique Dieter Braun. "Nous émettons l'hypothèse que la liaison des brins avec des séquences aléatoires aboutit à des brins plus longs avec des séquences de base moins aléatoires."

L'équipe de Brown a ensuite analysé les mélanges de séquences de ces expériences en utilisant une méthode également utilisée dans l'analyse du génome humain. Le test a confirmé que l'entropie de la séquence, c'est-à-dire le degré de désordre ou de caractère aléatoire dans les séquences reconstruites, était en fait réduite dans ces expériences.

Les chercheurs ont également pu identifier les raisons de cet ordre «auto-générateur». Ils ont constaté que la plupart des séquences obtenues étaient divisées en deux classes - avec des compositions de base soit 70% d'adénine et 30% de thymine, ou vice versa.

«Avec une proportion significativement plus élevée de l'une des deux bases, le filament ne peut pas se plier tout seul et reste comme partenaire de réaction pour la ligature», explique Brown. Ainsi, la réaction ne forme pratiquement pas de fils avec la moitié de chacune des deux bases. «Nous constatons également de petites distorsions dans la composition du pool d'ADN court laissant des modèles de motivation distincts dépendant de la position, en particulier dans les longs brins de produit», explique Brown.

Le résultat a surpris les chercheurs car un brin de seulement deux bases différentes avec un rapport de base spécifique a des moyens limités de différencier les uns des autres. «Seuls des algorithmes spéciaux peuvent détecter des détails aussi étonnants», disent les scientifiques.

Les expériences montrent que les caractéristiques les plus simples et les plus fondamentales des oligomères et de leur environnement peuvent servir de base à des processus sélectifs. Même dans un système de modèle simplifié, différents mécanismes de sélection peuvent entrer en jeu, qui affectent la croissance des filaments à différentes échelles de longueur et sont le résultat de différentes combinaisons de facteurs.

Selon Dieter Braun, ces mécanismes de sélection étaient une condition préalable à la formation de complexes catalytiquement actifs, tels que les ribozymes, et ont donc joué un rôle important dans l'émergence de la vie du chaos.