Les origines de la vie restent un mystère, mais une équipe d’ORIGINS à Munich a découvert un mécanisme qui aurait pu stabiliser les premières molécules d’ARN dans la soupe primordiale. En combinant deux brins d’ARN, ils ont considérablement augmenté leur stabilité et leur durée de vie, ce qui pourrait avoir été crucial pour le développement de la vie sur Terre.
Une nouvelle étude apporte des informations sur les origines de la vie
Les origines de la vie demeurent un profond mystère. Comment des molécules complexes se sont-elles formées et sont-elles restées stables sur de longues périodes sans se décomposer ? Une équipe d'ORIGINS, un pôle d'excellence basé à Munich, a découvert un mécanisme qui aurait pu permettre la première ARN Les molécules se stabilisent dans la soupe primordiale. Ils ont découvert que lorsque deux brins d'ARN se combinent, leur stabilité et leur durée de vie augmentent considérablement.
Il est fort probable que la vie sur Terre ait commencé dans l'eau, peut-être dans une mare qui était coupée de l'eau de mer à marée basse mais inondée par les vagues à marée haute. Au cours de milliards d'années, des molécules complexes comme ADNDans ce contexte, de l'ARN et des protéines se sont formés avant que les premières cellules n'émergent. Jusqu'à présent, personne n'a cependant pu expliquer exactement comment cela s'est produit.
« Nous savons quelles molécules existaient sur la Terre primitive », explique Job Boekhoven, professeur de chimie supramoléculaire à l’Université technique de Munich (TUM). « La question est de savoir si nous pouvons utiliser ces données pour reproduire les origines de la vie en laboratoire. » L’équipe dirigée par Job Boekhoven au sein du pôle d’excellence ORIGINS s’intéresse en premier lieu à l’ARN. « L’ARN est une molécule fascinante », explique Job Boekhoven. « Il peut stocker des informations et aussi catalyser des réactions biochimiques. » Les scientifiques pensent donc que l’ARN a dû être la première molécule complexe à se former.
Le problème, cependant, est que les molécules d’ARN actives sont composées de centaines, voire de milliers de bases et sont très instables. Lorsqu’elles sont immergées dans l’eau, les brins d’ARN se décomposent rapidement en leurs éléments constitutifs – un processus connu sous le nom d’hydrolyse. Alors, comment l’ARN a-t-il pu survivre dans la soupe primitive ?
Comment les doubles brins se sont-ils formés dans la soupe primordiale ?
Lors des tests en laboratoire, les chercheurs de la TUM et de la LMU ont utilisé un système modèle de bases d’ARN qui s’assemblent plus facilement que les bases naturellement présentes dans nos cellules actuelles. « Nous n’avions pas des millions d’années à notre disposition et voulions une réponse rapide », explique Boekhoven. L’équipe a ajouté ces bases d’ARN à assemblage rapide à une solution aqueuse, a fourni une source d’énergie et a examiné la longueur des molécules d’ARN qui se sont formées. Leurs résultats sont décevants, car les brins résultants de jusqu’à cinq paires de bases ne survivaient que quelques minutes.
Les résultats ont toutefois été différents lorsque les chercheurs ont commencé par ajouter des brins courts d’ARN préformé. Les bases complémentaires libres se sont rapidement liées à cet ARN dans un processus appelé hybridation. Des doubles brins de trois à cinq paires de bases de longueur se sont formés et sont restés stables pendant plusieurs heures. « Ce qui est intéressant, c’est que les doubles brins conduisent au repliement de l’ARN, ce qui peut le rendre catalytiquement actif », explique Boekhoven. L’ARN double brin présente donc deux avantages : il a une durée de vie plus longue dans la soupe primordiale et sert de base à l’ARN catalytiquement actif.
Mais comment un double brin a-t-il pu se former dans la soupe primitive ? « Nous étudions actuellement la possibilité pour les ARN de former leur propre brin complémentaire », explique Boekhoven. Il est concevable qu'une molécule composée de trois bases se lie à une molécule composée de trois bases complémentaires, ce qui donnerait naissance à un double brin stable. Grâce à sa durée de vie prolongée, d'autres bases pourraient se lier à elle et le brin grandirait.
Avantage évolutif pour les protocellules
Une autre caractéristique de l’ARN double brin pourrait avoir contribué à l’origine de la vie. Il faut d’abord noter que les molécules d’ARN peuvent également former des protocellules. Il s’agit de minuscules gouttelettes dont l’intérieur est complètement séparé du monde extérieur. Or, ces protocellules ne possèdent pas de membrane cellulaire stable et fusionnent donc facilement avec d’autres protocellules, ce qui provoque un mélange de leur contenu. Cela n’est pas propice à l’évolution car cela empêche les protocellules individuelles de développer une identité unique. Cependant, si les bordures de ces protocellules sont composées d’ADN double brin, les cellules deviennent plus stables et la fusion est inhibée.
Des idées également applicables à la médecine
Job Boekhoven espère à l’avenir améliorer encore la compréhension de la formation et de la stabilisation des premières molécules d’ARN. « Certains considèrent cette recherche comme une sorte de passe-temps. Mais pendant la pandémie de Covid-19, tout le monde a pu constater l’importance des molécules d’ARN, notamment pour les vaccins », explique Boekhoven. « Nos recherches visent donc à répondre à l’une des plus anciennes questions de la science, mais ce n’est pas tout : nous générons également des connaissances sur l’ARN qui pourraient profiter à de nombreuses personnes aujourd’hui. »
