Chimie prébiotique

Pour percer le mystère des origines de la vie, les exobiologistes suivent deux démarches complémentaires, comme nous l'avons précisé en introduction. L'une de ces démarches consiste à rechercher des indices (molécules prébiotiques, fossiles ou organismes vivants) sur les autres astres du système solaire. Malheureusement, à l'heure actuelle, les sondes qui naviguent au sein du système solaire sont trop rares pour que des résultats significatifs aient pu être engrangés. Pour l'instant, la seule recherche exobiologique digne de ce nom a été effectuée par les atterrisseurs Viking, qui se sont posés sur Mars en 1976.

Les scientifiques ont donc tenté d'approcher le problème différemment, en essayant de synthétiser en laboratoire les molécules fondamentales du monde vivant (sucres, acides nucléiques, protéines sans oublier les molécules constitutives des membranes cellulaires). Pour réaliser ce travail de démiurge, les scientifiques n'ont le droit d'utiliser que les molécules carbonées les plus simples, ainsi que de l'eau. Ces ingrédients serviront à fabriquer des précurseurs, matériel de base pour l'assemblage des molécules du vivant : les 20 acides aminés, les 5 bases et les 2 sucres qui rentrent dans la composition de n'importe quelle cellule vivante.

Il semble effectivement possible de fabriquer la plupart des briques du vivant à partir d'un petit nombre de molécules très simples. Les deux précurseurs de base sont l'acide cyanhydrique et le formaldéhyde. Les chimistes ont de fortes raisons de penser que ces molécules pouvaient facilement apparaître sur la Terre primitive, et ce sont d'ailleurs des produits qui apparaissent couramment dans les expériences de synthèse de type Stanley Miller (notons ici qu'au cours de ces expériences, on obtient aussi des produits solides plus complexes, similaires aux goudrons qui se sont déposés dans le ballon de l'expérience initiale de Miller en 1953).

Une fois munis de ces précurseurs, les chimistes peuvent fabriquer des acides aminés (les constituants des protéines) et des bases azotés (les constituants des acides nucléiques, ADN et ARN) à partir de l'acide cyanhydrique. De la même manière, le formaldéhyde permet la formation des sucres (ribose et désoxyribose) qui rentrent dans la composition des acides nucléiques. Il est également possible de fabriquer en laboratoire (en général dans des conditions de haute température et pression) des petites vésicules qui ressemblent à s'y méprendre à des membranes cellulaires. Nous allons dans un premier temps passer en revue les principales voies de synthèse, avant de résumer les (maigres) résultats obtenus en chimie prébiotique.

La synthèse des acides aminés

La principale réaction conduisant à la formation d'acides aminés (tels que ceux obtenus lors de l'expérience de Stanley Miller) est vraisemblablement celle découverte par Strecker en 1850. Dans cette réaction, l'acide cyanhydrique (HCN) réagit avec l'ammoniac (NH3) et le formaldéhyde (HCHO) pour donner naissance à un aminonitrile, qui s'hydrolyse ensuite en présence de deux molécules d'eau pour former un acide aminé. Cette réaction est cependant parasitée par une autre réaction (Kiliani), qui consomme de l'acide cyanhydrique et du formaldéhyde pour donner naissance à une molécule dont l'importance biologique est négligeable. Les chimistes ont alors tenté de rechercher des conditions expérimentales favorisant la réaction de Strecker au détriment de celle de Kiliani. Malheureusement, les conditions optimales s'écartent quelque peu de celles qui avaient des chances d'exister sur la Terre primitive (nous aurons l'occasion de revenir sur ces réactions parasites).

La deuxième voie pouvant conduire à la synthèse des aminoacides intéressants d'un point de vue biologique est la réaction de Bücherer-Bergs, qui consiste à faire réagir du formaldéhyde, de l'acide cyanhydrique, du dioxyde de carbone et de l'ammoniac pour former des précurseurs d'acides aminés.

D'autres réactions sont également prometteuses, comme celle qui consiste à polymériser la molécule d'acide cyanhydrique. Au terme de la réaction, on obtient alors une mélasse noire qui par hydrolyse libère de nombreux acides aminés, voire des petits peptides (ce qui élimine l'étape de condensation nécessaire pour assembler les acides aminés en protéines), voire des bases azotées. Selon certains chimistes, la réaction de Fischer-Tropsch, qui pourrait se dérouler au niveau des évents des dorsales océaniques, reste également une voie de synthèse privilégiée.

Aujourd'hui, les chimistes savent fabriquer de manière relativement aisée et réaliste les 20 acides aminés rentrant dans la composition des protéines. Cependant, les molécules obtenues sont très souvent racémiques, c'est à dire que l'on obtient des quantités équivalentes de molécules "droite" et de molécules "gauche", alors que la nature n'utilise que des formes "gauche" pour assembler des protéines (voir à ce sujet le paragraphe sur la chiralité donné en introduction).

La synthèse des bases azotées

Les chimistes savent également synthétiser les bases qui rentrent dans la composition des acides nucléiques (ADN et ARN) avec plus ou moins de bonheur. Par soucis de clarté nous ne détaillerons pas ici les réactions mises en oeuvres, et nous retiendrons seulement que les bases puriques (adénine, guanine) sont fabriquées avec plus de facilité que les bases pyrimidiques (cytosine, uracile, thymine).

La synthèse des sucres

En 1861, un chimiste allemand (Butlerow) découvre que le formaldéhyde (HCHO) peut donner naissance à des sucres, y compris à des pentoses (sucres à cinq atomes de carbone) comme le ribose présent dans l'ARN. Cette réaction, dite de formose, consiste principalement à polymériser le formaldéhyde (c'est à dire à enchaîner les molécules les unes aux autres comme les perles d'un collier). Pour avoir lieu, elle nécessite cependant des concentrations très importantes de formaldéhyde (entre 0,1 et 1 mole par litre), ainsi qu'un milieu très basique (pH avoisinant les 14), deux conditions qui semblent fort éloignées de celles qui régnaient sur la Terre primitive. La réaction de formose a suscité de nombreux travaux. Les chimistes ont pu en particulier fabriquer des sucres avec des concentrations plus faibles en formaldéhyde, en chauffant la solution en présence d'un catalyseur (comme le phosphate de calcium). Des irradiations à l'aide d'ultraviolets ou de rayons ionisants sur des solutions très diluées en présence d'argiles ont aussi donné quelques résultats. Malgré ces tentatives, les chemins plausibles de synthèse des sucres dans des conditions similaires à celles de la Terre primitive sont loin d'avoir été défrichées.

La fabrication des membranes cellulaires

Une cellule peut grossièrement être assimilée à un sac bourré de molécules, qui se trouvent alors assez proches les uns des autres pour pouvoir interagir. Il ne sert effectivement à rien de synthétiser toutes les briques du vivant, si on ne trouve aucun moyen de les rassembler. Dans l'histoire des origines de la vie, l'invention de la compartimentation par le biais des membranes cellulaires a vraisemblablement constitué une étape majeure.

Les chimistes savent assembler en laboratoire (en général dans des conditions de haute température et pression) des microstructures ressemblant de façon flagrante à des membranes cellulaires. Si ces vésicules ne peuvent être qualifiées de vivantes elles sont capables, toute comme les véritables membranes cellulaires, de concentrer des molécules organiques et de les isoler d'un milieu extérieur agressif. Parmi les travaux réalisés dans ce domaine, on peut citer les coacervats d'Oparin, ou les microsphères de Fox, formées à partir de protéinoïdes (polymères obtenus par le chauffage à sec d'acides aminés, voir plus bas). Notons également que certaines substances organiques extraites de la météorite de Murchison s'assemblent spontanément en milieux aqueux pour former des vésicules imitant de manière singulière les membranes des cellules vivantes.

Les problèmes surgissent ...

Si, comme nous l'avons vu, les chimistes sont capables de fabriquer, avec plus ou moins de succès les principales briques du vivant (certaines - acides aminés, bases puriques - plus facilement que d'autres - sucres, bases pyrimidiques), il faut nous arrêter un instant sur la nature quelque peu idéale des synthèses de laboratoire. Le chemin permettant de synthétiser une macromolécule d'intérêt biologique comprend souvent plusieurs étapes. Ainsi, pour fabriquer des acides nucléiques, il faut former les précurseurs (acide cyanhydrique et formaldéhyde par exemple), synthétiser les bons sucres, puis accrocher ces derniers à une base azotée et un phosphate pour former un nucléotide, et enfin accrocher les nucléotides entre eux. En laboratoire, chacune des différentes étapes d'une synthèse chimique demande bien souvent des conditions différentes de la précédente ou de la suivante. De manière à mettre toutes les chances de leur côté, les chimistes sont bien souvent tentés de partir à chaque fois avec des conditions initiales optimales. Or c'est une chose de prouver que chaque étape fonctionne séparément, encore faut-il démontrer que le schéma d'ensemble (c'est à dire la mise bout à bout des différentes étapes) a pu lui aussi fonctionner dans l'environnement de la Terre primitive. Certains chercheurs ont proposé des scénarios absolument renversants pour expliquer l'enchaînement des étapes, que l'on peut aisément comparer aux films hollywoodiens : très spectaculaires, mais souvent très peu réalistes !

L'étape la plus délicate est probablement celle qui consiste à passer des monomères (nucléotides, acides aminés) aux polymères (acides nucléiques, protéines). Pour les acides nucléiques, la formation d'un polymère à partir d'une solution de monomères (en l'absence de catalyseurs naturels comme les enzymes) a été prouvée expérimentalement par l'équipe de Leslie Orgel au Salk Institute de Californie. La présence d'une petite amorce (un brin d'acide nucléique préformé) est cependant nécessaire, et la synthèse d'une telle molécule par un processus prébiotique n'a pas été démontrée.

Les choses semblent plus faciles avec les protéines. Il est en effet aisé de relier bout à bout des acides aminés (réaction de condensation) pour former des peptides (chaîne de quelques acides aminés) ou des protéines (chaîne comportant un nombre appréciable d'acides aminés). Dans les années 60, aux Etats-Unis, Sidney Fox a obtenu des protéinoïdes (des molécules assez proches des protéines) en chauffant des acides aminés en phase solide. Le mélange contenait cependant à la fois des molécules "droite" et des molécules "gauche" (nous avons déjà eu l'occasion de mentionner ce problème). Des chimistes comme le français André Brack travaillent actuellement activement à la recherche de réactions permettant de sélectionner la chiralité des monomères de départ, et d'assembler ainsi des protéines "gauche" comme celles qu'emploient la nature.

D'autres problèmes viennent encore compliquer les synthèses, comme celui de la dilution (les molécules sont en quantité trop faible pour interagir) ou les réactions parasites (comme la réaction de Kiliani que nous avons évoquée plus haut). Dans un ballon, les molécules s'en donnent effectivement à coeur joie et réagissent souvent toutes les unes avec les autres de manière complètement désordonnée. Une réaction parasite peut très bien consommer une ou plusieurs molécules, empêchant ainsi la réaction désirée d'avoir lieu. Pour contourner ce problème et diriger les synthèses dans la bonne direction, Leslie Orgel a par exemple tenté d'utiliser des composés artificiellement "activés". Ces molécules, qui comportent une liaison riche en énergie, sont effectivement capables de s'engager dans une réaction préférentielle parmi un grand nombre de réactions possibles.

Le problème le plus amusant reste cependant celui de savoir qui, des acides nucléiques ou des protéines, est apparu en premier ...

L'oeuf ou la poule ?

Dans une cellule, les acides nucléiques portent toute l'information nécessaire à la fabrication des protéines, qui constituent l'ossature de la cellule et qui catalysent toutes les réactions nécessaires à sa survie et à sa reproduction. On pourrait donc croire que les acides nucléiques sont apparus en premier, car sans eux, l'information permettant d'assembler les protéines n'est pas disponible. Le hic, c'est que la fabrication des longues chaînes d'ADN et d'ARN est totalement dépendante de la présence des protéines. Ces dernières catalysent effectivement l'assemblage des nucléotides qui forment l'ADN. Nous voici donc devant le problème de l'oeuf et de la poule. Qui est apparu en premier ? Les acides nucléiques (qui stockent l'information génétique) ou les protéines (qui sont fabriquées grâce à l'information contenue dans les acides nucléiques, mais qui servent aussi à fabriquer les acides nucléiques) ?

Les acides nucléiques en pôle position

Pour certains chimistes, la chimie prébiotique qui s'est déroulée sur la Terre primitive a d'abord conduit à l'apparition des acides nucléiques. Plusieurs indices laissent penser que l'ARN est venu en premier, et qu'il a été suivi par l'ADN (une hypothèse suggérée pour la première fois en 1967 par Carl Woese). Effectivement, la base caractéristique de l'ADN, la thymine, est fabriquée à partir de la base caractéristique de l'ARN, l'uracile (les trois autres bases sont communes aux deux acides nucléiques). De plus, la réplication d'une molécule d'ADN nécessite très souvent une petite amorce d'ARN. Un autre mécanisme, l'édition, milite en faveur d'une préexistence de l'ARN. Ce mécanisme est une modification de la séquence d'un ARN par l'ajout ou le retrait de nucléotides à certains endroits, ces insertions et délétions ayant pour conséquence de modifier considérablement l'information portée par la molécule. L'édition est non seulement un moyen efficace pour les organismes de progresser, mais il est également moins risqué avec l'ARN que l'ADN, car les modifications sont relativement éphémères sur l'ARN, alors qu'elles sont plus durables dans une chaîne d'ADN. Il semble donc que l'ADN soit un ARN modifié, spécialisé dans un rôle de stockage et de conservation (de ce point de vue l'ADN offre quelques avantages sur l'ARN, comme nous allons le voir).

L'ARN présente quelques propriétés remarquables qui ont probablement pu jouer un rôle essentiel dans l'apparition de la vie sur Terre. Certaines expériences ont permis de tester la capacité évolutive des molécules d'ARN, et de vérifier ainsi qu'une population de molécules d'ARN est bien capable de se comporter comme une population d'organismes vivants (Spiegelman, 1970). Ainsi, l'évolution darwinienne existerait aussi au niveau moléculaire. L'ARN a cependant une caractéristique encore plus étonnante : celle de catalyser des réactions chimiques, rôle normalement dévolu aux protéines.

Un ARN catalytique ?

Pendant longtemps, les biochimistes ont dressé une frontière nette entre les acides nucléiques d'une part, capables d'assurer le stockage et le transfert de l'information génétique, et les protéines d'autre part, capables d'assurer la catalyse des réactions chimiques indispensables au fonctionnement d'une cellule. La découverte dans les années 80 des ribozymes (c'est à dire d'ARN capables d'assurer des activités catalytiques) par deux biochimistes américains, Thomas Cech et Sidney Altman, fit voler cette barrière en éclats.

L'ARN pourrait donc jouer le double rôle de catalyseur et de porteur de l'information, d'où l'idée d'un monde ARN, ou une seule et même molécule dirigerait les usines chimiques et la bibliothèque (pour reprendre l'analogie de l'introduction). Il faut cependant noter que l'ARN n'exerce bien souvent son activité catalytique que dans des domaines bien précis, comme les réactions d'autoépissage. Dans ce mécanisme, l'ARN agit sur lui même en éliminant un morceau non désirable et en réunissant les deux fragments restants (en général, ce sont les parties non codantes - introns - de l'ARN qui sont ainsi rejetées, alors que les parties codantes, les exons, sont conservées). La présence d'ARN dans les ribosomes (les usines cellulaires qui relient les acides aminés entre eux pour fabriquer des protéines) laisse penser que les ARN primitifs ont pu intervenir très tôt dans la synthèse des protéines.

Au cours de l'évolution, l'ARN a cependant du rapidement céder la place à l'ADN. Effectivement, la molécule d'ARN fait preuve d'une grande instabilité (principalement liée à la présence de ribose), contrairement à l'ADN, plus robuste. L'absence d'uracile dans l'ADN contribue également à diminuer le nombre d'erreurs pendant la réplication. Dans une cellule, il arrive parfois que la cytosine se transforme spontanément en uracile (ce qui a pour effet d'altérer l'information portée par le brin d'acide nucléique). Si cette transformation a lieu au sein d'une chaîne d'ADN, la cellule est immédiatement capable de le détecter : l'uracile étant normalement absent dans l'ADN, sa présence traduit obligatoirement la modification d'une cytosine en uracile. La cellule peut alors immédiatement identifier le fauteur de troubles, qui est reconverti par des enzymes spécialisées en cytosine. Dans une chaîne d'ARN, la situation est bien plus problématique, l'uracile étant un composant normal de la molécule. Il est alors impossible pour la cellule de faire la différence entre une uracile légitime et une uracile "parasite".

Pour certains chimistes, la grande fragilité de l'ARN, ainsi que la difficulté de sa synthèse par des réactions prébiotiques sont des obstacles majeurs à l'existence d'un monde ARN. Plusieurs scénarios ont alors été imaginés pour tenter de pallier à la difficulté de la synthèse des molécules d'ARN ...

Synthèse dirigée par matrice

Pour expliquer l'autoformation d'une molécule d'ARN à partir de ses précurseurs, les nucléotides, des chimistes ont imaginé un mode de réplication primitive appelé "synthèse dirigée par matrice". Des nucléotides activés artificiellement par la fixation d'un groupement imidazole peuvent effectivement se positionner spontanément en face d'une matrice, en formant alors un brin complémentaire.

Ce modèle présente cependant plusieurs inconvénients : les nucléotides doivent être activés, l'ensemble ne fonctionne qu'avec des bases pyrimidiques qui sont difficiles à obtenir, la présence d'une matrice initiale est indispensable, et la présence de composants racémiques dans les éprouvettes bloque la réaction. Il semble donc improbable qu'un tel mécanisme ait pu avoir lieu sur la terre primitive.

Acides nucléiques artificiels

Estimant que l'ARN actuel pouvait très bien être totalement différent des acides nucléiques primitifs, certains chimistes ont tenté de synthétiser des ARN artificiels, plus faciles à fabriquer et dont la formation dans le cadre de la chimie prébiotique reste plausible. Le N6-ribosyladénine, un nucléotide présentant une activité catalytique comparable à l'histidine (un acide aminé très important pour l'activité catalytique de nombreuses protéines) et capable de rentrer dans la composition d'un ARN, a ainsi été inventé. Les chimistes qui se sont engagés dans cette voie pensent que les premiers acides nucléiques étaient dotés de groupements catalytiques, qui ont ensuite été transmis à des acides aminés (et donc à des protéines). Autre avantage, certains nucléotides artificiels seraient plus faciles à polymériser en face d'une matrice que les nucléotides naturels.

Des précurseurs d'acides nucléiques

Dans la même veine que précédemment, des équipes ont estimé que les acides nucléiques actuels sont très (voire trop?) complexes à former. Pourquoi la nature n'aurait-elle pas utilisée un précurseur plus simple à synthétiser, et qui aurait ensuite laissé place au cours de l'évolution aux acides nucléiques que l'on connaît ? Partant de cette idée séduisante, les chimistes se sont lancés dans la recherche de précurseurs d'acides nucléiques, versions simplifiées des molécules actuelles, mais néanmoins capables de se reproduire et de stocker de l'information génétique.

Ainsi, en replaçant le ribose par du glycérol, on obtient un analogue plus simple de l'ARN. Apparemment, le squelette ribose-phosphate ne serait pas un élément indispensable au fonctionnement des nucléotides, et pourrait être remplacé par un autre squelette plus simple à synthétiser (par exemple un polypeptide). Deux chercheurs, Elgohm et Nielsen, ont proposé comme analogue d'un acide nucléique le PNA (Peptide Acide Nucléique) où les bases azotées sont greffées sur un squelette peptidique. Eschenmoser s'est penché sur une autre structure où le ribose est sous sa forme pyranose (un cycle de six atomes de carbone à la place de cinq). Les deux brins ne s'enroulent plus l'un autour de l'autre lors de l'appariement des deux chaînes, ce qui semble être un avantage lors de la duplication de l'acide nucléique, par exemple au cours de la division cellulaire (dans les cellules en cours de division, des enzymes hautement spécialisées comme les déroulases doivent intervenir pour séparer les deux brins d'ADN, avant que la duplication ne puisse commencer). La synthèse des PNA se heurte cependant à des difficultés similaires à celles rencontrées pour l'assemblage d'un acide nucléique classique.

La vie a-t-elle commencée avec les protéines ?

En dépit des travaux prometteurs dont nous avons cité quelques exemples, certains chimistes refusent de donner aux ARN le titre de première molécule biologique. Trop fragiles pour survivre sur la Terre primitive (criblée d'impacts et soumise à un fort rayonnement ultraviolet) et trop difficiles à obtenir par le biais des réactions prébiotiques, ces derniers n'auraient pas pu naître du monde inanimé, contrairement aux protéines, qui sont certes incapables de se dupliquer spontanément comme savent le faire les acides nucléiques, mais qui offrent l'énorme avantage d'être bien plus simple à synthétiser. Dans ce domaine, la principale voie de recherche consiste à traquer chez les protéines des brides d'activité catalytique. Malheureusement, encore aujourd'hui, aucun résultat vraiment probant n'a été obtenu.

Vers une chimie prébiotique exotique

Toutes les réactions que nous avons décrites jusqu'à présent nécessitaient un milieu aqueux. Etant donné le lien étroit qui unit la vie et l'eau, nous avons certes des difficultés à imaginer que la vie ait pu apparaître ailleurs que dans une étendue d'eau, qu'elle soit modeste comme la petite mare de Darwin ou vaste comme un océan. Pourtant, il est possible que les études en milieux aqueux soient vouées à l'échec, et que les réactions clés sur lesquelles les chimistes se cassent la tête soient à chercher dans d'autres environnements originaux.

Les argiles, matrice de vie

En 1960, le chimiste Graham Cairns-Smith émit une hypothèse intéressante. Selon lui, la vie était apparue grâce à des matériaux inorganiques capables de croître, comme les cristaux de certaines espèces minérales ou les argiles. Les feuillets qui constituent les argiles peuvent effectivement se développer spontanément, pour peu qu'ils puissent puiser dans le milieu extérieur les éléments chimiques nécessaires à leur croissance (silicium, oxygène, magnésium, etc). Des molécules organiques auraient ensuite pris la relève de ces minéraux en plein bourgeonnement (d'où le nom de relève génétique donné à ce modèle).

Les argiles semblent constituer un excellent matériau de départ, car elles peuvent facilement adsorber toutes sortes de molécules organiques. Cette promiscuité facilite les rencontres entre molécules, et contourne ainsi le problème de la dilution que nous avons évoqué plus haut. De plus, ces matrices minérales peuvent également catalyser des réactions entre molécules organiques (en particulier les réactions de polymérisation) et guider des synthèses. Les argiles, qui devaient abonder sur la terre primitive, et qui constituent également une part non négligeable du sol martien, se comporteraient alors comme des enzymes minérales primitives.

Dans les années 1970, deux chercheurs ont montré qu'il était possible de polymériser des acides aminés pour former des petits peptides, grâce à une argile, la montmorillonite. Des nucléotides ont également été condensés avec succès par une méthode similaire faisant la belle part aux argiles. Plus récemment, Ferris et Orgel ont réussi à former des petites chaînes peptidiques (sur illite et hydroxyapatite) et nucléiques (sur montmorillonite) d'une longueur supérieure à 55 éléments. Or on considère qu'une chaîne d'acides nucléiques composée de l'enchaînement de 30 à 60 monomètres forme un système génétique viable ...

Un métabolisme à la surface d'une pyrite

En 1988, un chimiste allemand, Günther Wächtershäuser, a mis en avant le rôle potentiel d'une autre matrice minérale dans la problématique des origines de la vie. Ce chercheur estime que la pyrite (un sulfure de fer très courant sur Terre) a parfaitement pu catalyser la synthèse de molécules organiques. Tout commence lorsque des petites molécules organiques se fixent sur un grain de pyrite chargé positivement. En présence de sulfure d'hydrogène, ces molécules peuvent utiliser le dioxyde de carbone atmosphérique pour grandir, le carbone du CO2 venant s'ajouter à la chaîne carbonée déjà en place.

Wächtershäuser, qui est opposé à la théorie de la soupe prébiotique, estime que la plupart des molécules organiques d'intérêt biologique se sont formées par le biais de ce métabolisme de surface. Ce type de réaction permettrait d'expliquer pourquoi certaines protéines fondamentales, comme celles qui sont impliquées dans le transport des électrons au niveau des chaînes respiratoires des mitochondries (les centrales énergétiques des cellules vivantes) contiennent du fer et du soufre. Les charges positives, abondantes à la surface des grains de pyrite, facilitent de plus l'accrochage des molécules organiques et leur assemblage ultérieur (fonctions catalytiques voisines de celles décrites pour les argiles).

D'après certains travaux, la pyrite pourrait également catalyser la formation d'acides nucléiques comportant uniquement des bases puriques (l'uracile étant remplacée par la xanthine, et la cytosine par l'isoguanine). Ces derniers auraient pu servir de précurseurs aux acides nucléiques actuels, basés sur une combinaison de bases puriques et pyrimidiques. La présence de molécules inhabituelles (comme l'hypoxanthine) dans le génome de certains organismes est d'ailleurs interprétée par certains biologistes moléculaires comme la preuve de l'existence d'acides nucléiques totalement puriques.

Une odeur de soufre

Le soufre, constituant principal de la pyrite, aurait également pu jouer un rôle dans l'apparition de la vie. Christian de Duve (prix Nobel de médecine), suggère effectivement que le monde de l'ARN a été précédé par un autre monde ou le soufre tenait une place majeure. Les réactions entre molécules sont beaucoup plus efficaces lorsque l'un des participants possède une liaison riche en énergie (c'est à dire une liaison susceptible de libérer de l'énergie, qui est alors disponible pour la réaction proprement dite). Les groupements thiols R-SH (union d'une chaîne carbonée avec un atome de soufre et un atome d'hydrogène) constituent une liaison de ce type.

Pour de Duve, des acides aminés porteurs d'un groupement thiol peuvent facilement s'assembler entre eux pour donner des peptides ou des protéines. Ces acides aminés "activés" sont très intéressant, car ils portent eux-mêmes l'énergie requise pour l'établissement d'une liaison peptidique (liaison entre deux acides aminés), et ne nécessitent aucun élément extérieur pour se polymériser.  La synthèse de ces molécules activées aurait pu se dérouler sur la Terre primitive, dans un milieu chaud, acide et riche en H2S, comme celui qui caractérise les cheminées hydrothermales sous-marines. Le rôle des thioesters, source d'énergie du métabolisme primitif, permettrait aussi d'expliquer l'importance que tient le soufre dans le métabolisme de nombreuses bactéries.

Conclusion

Toutes les réactions et hypothèses que nous avons évoquées ne doivent pas nous faire oublier que la construction d'une cellule vivante à partir de molécules extrêmement simples comme l'acide cyanhydrique ou le formaldéhyde est une entreprise d'une incroyable complexité. Les avancées réalisées par les chimistes depuis l'expérience historique de Stanley Miller en 1953 semblent totalement dérisoires en regard de la tâche à accomplir.

Il faut avouer humblement que la complexité d'une cellule est intimidante, d'autant plus que son fonctionnement semble dépendre de son intégrité. Si l'une des pièces d'une cellule est ôtée, la machinerie cellulaire ne met pas longtemps à dérailler. Dans ces conditions, certains chercheurs se sont interrogés sur la nécessité d'une coévolution. Plutôt que de chercher à faire apparaître les macromolécules biologiques une à une, ne devrions-nous pas tenter de les synthétiser en même temps ? Quant on voit la difficulté à synthétiser certaines molécules, on comprend l'ampleur du problème ...

Une cellule vivante peut effectivement être vue comme un mécanisme d'horlogerie, ou les caractéristiques de chaque engrenage (nombre de dents, diamètre) dépendent des engrenages voisins. Un tel mécanisme peut-il vraiment se former de manière progressive et graduelle, engrenage par engrenage, alors que l'ensemble ne se mettra pas en mouvement avant que la dernière pièce ne soit ajoutée ? Comment les premiers engrenages peuvent-ils être sélectionnés, alors que les voisins contre lesquels ils tourneront ne sont pas encore créés ?

Pour certains chercheurs, le fait que la cellule vivante soit d'une complexité effarante prouve qu'elle n'a vraisemblablement pas pu apparaître par étapes, mais qu'elle est au contraire sortie du néant entièrement constituée. Les probabilités qu'un tel événement ait pu se produire sont similaires aux chances qu'aurait une tornade soufflant sur une décharge d'assembler, à partir d'une montagne de ferraille, un airbus A320 en parfait état de marche. La vie ne devrait-elle son apparition qu'à la combinaison d'un grand nombre d'événements fortuits et improbables, un peu comme si une personne gagnait la super cagnotte au loto, et ce chaque semaine jusqu'à sa mort ! La probabilité de l'apparition d'une cellule vivante est-elle si infime qu'il a fallu un univers entier pour qu'elle puisse se produire ?

Il est cependant possible que la complexité des cellules actuelles nous aveugle, et que nous ne puissions pas nous résoudre à imaginer un autre système plus simple mais néanmoins viable que celui qui existe actuellement. Les cellules qui constituent les êtres vivants représentent peut-être une version très avancée des premières cellules. En cherchant à reproduire du premier coup ces modèles qui ont en fait évolué à de très nombreuses reprises, nous allons peut-être dans la mauvaise direction. Après tout, si l'on demandait à un programmeur de créer un logiciel aussi complexe que la dernière version de PhotoShop, il ne réussirait vraisemblablement pas. Cette version à une longue histoire derrière elle, et elle n'existe qu'au travers de toutes les anciennes versions moins sophistiquées qui l'ont précédé. La Terre n'ayant pratiquement conservé aucune archive de sa jeunesse, quelle chance avons-nous de découvrir le prototype de la nature ?

A moins de retrouver les plans de la cellule mère sur un autre astre du système solaire (Mars ?), il est donc tout à fait possible que les chimistes ne puissent jamais jouer les Frankensteins modernes et créer une cellule vivante de toutes pièces dans une éprouvette. D'autant que la nature possède un élément qui restera à jamais hors de notre portée. Les chimistes auront beau mélanger toutes les molécules connues, à n'importe quelle concentration, température, pression ou pH et dans n'importe quel milieu, il y aura toujours un paramètre sur lequel ils ne pourront jamais intervenir. Le temps.

Pour arriver à ses fins, la nature a disposé de 4,5 milliards d'années. Qui sait ce qu'il est possible de réaliser, quand on possède pareille éternité devant soi ?

Les microsphères de Fox

Les microsphères de Sidney Fox. Chaque cellule est délimitée par une membrane plasmique constituée d'une bicouche de phospholipides. Pour que la vie se développe, un cloisonnement par des membranes a du avoir lieu pour former les premières protocellules. Dans un milieu aqueux, sous l'influence d'ultrasons, des molécules possédant deux pôles (bipolaires, l'un des pôle est polaire et attiré par l'eau, l'autre étant lipophile et fuyant l'eau) s'assemblent spontanément en microgoutelettes, les liposomes. Ces vésicules peuvent présenter un comportement cytomimétique et montrer des processus de fusion, de divisions ou d'invaginations en tout point identiques à ceux d'une véritable membrane cellulaire. Ces enveloppes phospholipidiques présentent cependant un inconvénient de taille. Elles sont effectivement étanches : aucun nutriment ne peut passer, et les déchets internes ne peuvent être éliminés. Pour être viable, un tel système a impérativement besoin de mettre en place un système de communication transmembranaire, éventuellement de nature protéique (Crédit photo : droits réservés).

Le monde de l'ARN

Le monde ARN : Dans un premier temps, il y a formation d'ARN à partir de ribose et de bases nucléiques. L'ARN catalyse sa propre réplication, puis favorise la synthèse de protéines. Les protéines prennent alors le relais en catalysant la réplication de l'ARN, leur propre réplication et la transformation de l'ARN en ADN (stockage de l'information). L'ADN prend enfin le dessus et l'information passe de l'ADN à l'ARN dans le mécanisme de transcription, puis de l'ARN aux protéines dans le mécanisme de traduction. Les protéines catalysent alors presque tout, réplication de l'ADN, transcription et traduction (Crédit photo : droits réservés).

Les éclairs, source d'acide cyanhydrique sur la terre primitive ?

Les molécules de base que tout chimiste prébiotique doit avoir dans sa boite à outils sont l'acide cyanhydrique (qui est paradoxalement un poison très violent pour de nombreux organismes vivants) et le formaldéhyde (c'est à dire le formol, qui sert à conserver les spécimens dans les musées). L'acide cyanhydrique se forme grâce à la dissociation de l'azote moléculaire présent dans l'atmosphère (N2). Les rayons ultraviolets peuvent réaliser cette réaction, à condition cependant d'être suffisamment énergétiques (longueur d'onde inférieure à 100 nm), ce qui exclut toute réaction dans les couches les plus basses de l'atmosphère, ou les ultraviolets les plus énergétiques sont absorbés. La voie préférentielle pour synthétiser l'acide cyanhydrique à partir de l'azote semble être les éclairs, qui libèrent une énergie considérable sur leurs parcours, propre à casser de nombreuses molécules. Une fois la molécule d'azote brisée, un atome d'azote peut réagir avec une molécule de méthane (CH4) pour donner de l'acide cyanhydrique et de l'hydrogène. Quant au formaldéhyde, il peut se former par réaction d'une molécule d'eau sur une molécule de méthane (Crédit photo : droits réservés).

Une molécule de ribose

Les chimistes savent aujourd'hui synthétiser certaines briques du vivant dans des conditions relativement similaires à celles régnants sur la Terre primitive. La fabrication des acides aminés, ainsi que leur assemblage en protéines est relativement maîtrisée. Il en va de même pour la formation de vésicules possédant des propriétés similaires à celles des véritables membranes cellulaires et la synthèse des bases puriques. Les molécules les plus délicates à synthétiser sont les sucres (désoxyribose et surtout ribose) qui rentrent dans la composition des nucléotides, et les bases pyrimidiques (Crédit photo : droits réservés).

 

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