Une étude récente de Scripps Research propose une voie crédible pour la formation précoce et l’évolution des protocellules, suggérant que la phosphorylation aurait pu être cruciale dans le développement de précurseurs complexes et fonctionnels de la vie sur Terre il y a environ 4 milliards d’années. Cette découverte améliore notre compréhension des origines de la vie et de l’environnement chimique de la Terre primitive. Crédit : Issues.fr.com
La découverte récente d’un nouveau phospholipide réduit le fossé dans la compréhension de la façon dont les cellules primordiales ont émergé au cours de l’origine de la vie.
Il y a environ 4 milliards d’années, la Terre était en train de créer des conditions propices à la vie. Les scientifiques spécialisés dans l’origine de la vie se demandent souvent si le type de chimie trouvé sur la Terre primitive était similaire à ce dont la vie a besoin aujourd’hui. Ils savent que des amas sphériques de graisses, appelés protocellules, étaient les précurseurs des cellules lors de cette émergence de la vie. Mais comment de simples protocellules sont-elles apparues et se sont-elles diversifiées pour finalement conduire à la vie sur Terre ?
Aujourd’hui, les scientifiques de Scripps Research ont découvert une voie plausible expliquant comment les protocellules auraient pu se former et progresser chimiquement pour permettre une diversité de fonctions.
Les résultats, récemment publiés dans la revue Chimie, suggèrent qu’un processus chimique appelé phosphorylation (dans lequel des groupes phosphate sont ajoutés à la molécule) pourrait s’être produit plus tôt que prévu. Cela conduirait à des protocellules à double chaîne plus complexes structurellement, capables d’héberger des réactions chimiques et de se diviser avec une gamme diversifiée de fonctionnalités. En révélant comment les protocellules se sont formées, les scientifiques peuvent mieux comprendre comment l’évolution précoce a pu avoir lieu.
Les éléments constitutifs de la vie
« À un moment donné, nous nous demandons tous d’où nous venons. Nous avons maintenant découvert une manière plausible selon laquelle les phosphates auraient pu être incorporés dans des structures cellulaires plus tôt qu’on ne le pensait auparavant, ce qui pose les bases de la vie », explique Ramanarayanan Krishnamurthy, Ph.D., auteur principal co-correspondant et professeur à le Département de chimie de Scripps Research. « Cette découverte nous aide à mieux comprendre les environnements chimiques de la Terre primitive afin que nous puissions découvrir les origines de la vie et comment la vie peut évoluer sur la Terre primitive. »
Krishnamurthy et son équipe étudient comment les processus chimiques se sont produits pour donner naissance aux produits chimiques et aux formations simples qui étaient présents avant l’émergence de la vie sur la Terre prébiotique. Krishnamurthy est également co-dirigeant d’un NASA initiative étudiant comment la vie a émergé de ces premiers environnements.
Vésicules dans la structure de type protocellule. Crédit : Recherche Scripps
Dans cette étude, Krishnamurthy et son équipe ont collaboré avec le laboratoire du biophysicien de la matière molle Ashok Deniz, PhD, auteur principal co-correspondant et professeur au Département de biologie structurale et computationnelle intégrative de Scripps Research. Ils ont cherché à examiner si les phosphates pouvaient avoir été impliqués lors de la formation des protocellules. Les phosphates sont présents dans presque toutes les réactions chimiques du corps, Krishnamurthy soupçonne donc qu’ils pourraient avoir été présents plus tôt qu’on ne le pensait auparavant.
Les scientifiques pensaient que les protocellules se formaient à partir d’acides gras, mais il était difficile de savoir comment les protocellules passaient d’une simple chaîne à une double chaîne de phosphates, ce qui leur permet d’être plus stables et d’héberger des réactions chimiques.
Aperçus expérimentaux sur l’évolution des protocoles
Les scientifiques voulaient imiter des conditions prébiotiques plausibles, c’est-à-dire les environnements qui existaient avant l’émergence de la vie. Ils ont d’abord identifié trois mélanges probables de produits chimiques susceptibles de créer des vésicules, des structures sphériques de lipides similaires aux protocellules. Les produits chimiques utilisés comprenaient des acides gras et du glycérol (un sous-produit courant de la production de savon qui aurait pu exister au début de la Terre). Ensuite, ils ont observé les réactions de ces mélanges et ont ajouté des produits chimiques supplémentaires pour créer de nouveaux mélanges. Ces solutions ont été refroidies et chauffées à plusieurs reprises pendant la nuit sous quelques agitations pour favoriser les réactions chimiques.
Veena Kollery, Ph.D. ; Ashok Deniz, Ph.D. ; et Sunil Pulletikurti, PhD. Crédit : Recherche Scripps
Ils ont ensuite utilisé des colorants fluorescents pour inspecter les mélanges et juger si la formation de vésicules avait eu lieu. Dans certains cas, les chercheurs ont également varié le pH et les ratios des composants pour mieux comprendre l’impact de ces facteurs sur la formation des vésicules. Ils ont également examiné l’effet des ions métalliques et de la température sur la stabilité des vésicules.
« Les vésicules ont pu passer d’un état graisseux acide environnement chimique à un environnement phospholipidique au cours de nos expériences, ce qui suggère qu’un environnement chimique similaire aurait pu exister il y a 4 milliards d’années », explique le premier auteur Sunil Pulletikurti, chercheur postdoctoral au laboratoire de Krishnamurthy.
Il s’avère que les acides gras et le glycérol peuvent avoir subi une phosphorylation pour créer cette structure à double chaîne plus stable. En particulier, les esters d’acides gras dérivés du glycérol peuvent avoir conduit à des vésicules présentant des tolérances différentes aux ions métalliques, aux températures et au pH, une étape critique dans la diversification de l’évolution.
« Nous avons découvert une voie plausible expliquant comment les phospholipides auraient pu émerger au cours de ce processus d’évolution chimique », explique Deniz. « C’est passionnant de découvrir comment les premières chimies ont pu évoluer pour permettre la vie sur Terre. Nos découvertes font également allusion à une richesse de phénomènes physiques fascinants qui pourraient avoir joué des rôles fonctionnels clés tout au long du processus de création des cellules modernes.
Ensuite, les scientifiques prévoient d’examiner pourquoi certaines vésicules ont fusionné tandis que d’autres ont été divisées afin de mieux comprendre les processus dynamiques des protocellules.
Le travail a été soutenu par la NASA Astrobiology-Exobiology (subvention 80NSSC20K0625) et la Fondation Simons (subvention 327124FY19).
