10 Mai Le savon primordial

Des scientifiques de l’Institut Weizmann dévoilent des preuves complètes que la vie a pu naître avec des particules lipidiques de taille nanométrique.

Les plus grandes questions de la vie – le quand, le quoi et le comment de ses origines – n’ont pas encore eu de réponse. Actuellement, la principale hypothèse de la communauté scientifique est que la vie s’est développée à partir de molécules d’ARN, connues pour leur capacité d’auto-réplication. Pourtant, au cours des deux dernières décennies, le professeur Doron Lancet, du Département de Génétique Moléculaire de l’Institut Weizmann des sciences, a nagé à contre-courant de la soupe primordiale. « Il est hautement improbable que l’origine de la vie remonte à une seule molécule complexe telle que l’ARN », déclare le professeur Lancet, « mais plus vraisemblablement à des assemblages de composés chimiques simples qui peuvent se former spontanément et se reproduire dans leur ensemble. »

Pour démontrer la faisabilité de cette chronologie alternative, le Prof. Lancet a développé un modèle de chimie computationnelle qui était jusqu’à présent considéré comme une théorie en quête de soutien expérimental. Dans leurs articles récemment publiés, le Prof. Lancet et les étudiants en recherche Amit Kahana et Svetlana Maslov présentent, pour la première fois, un recueil convaincant de données expérimentales qui étayent leur modèle de l’origine de la vie.

(de gauche à droite) Amit Kahana, Svetlana Maslov et le professeur Doron Lancet. Nager à contre-courant de la soupe primordiale

La NASA définit la vie comme un « système chimique capable de se reproduire et de subir une évolution darwinienne ». Ainsi, la réponse à la question de l’apparition de la vie pourrait résider dans la recherche de l’entité chimique la plus simple répondant à ces conditions. L’un des principaux obstacles à l’hypothèse selon laquelle l’ARN a été la première entité de ce type à se matérialiser dans la soupe primordiale – l’environnement chaotique d’où la vie a émergé – est qu’il s’agit d’une molécule très complexe qui, d’un point de vue probabiliste, n’a pas pu émerger spontanément. Les molécules d’ARN capables de se répliquer se composent de dizaines, et souvent de centaines, d’unités moléculaires discrètes organisées de manière linéaire. Ces unités, à leur tour, sont supposées être distillées à partir d’un milieu contenant des millions d’autres molécules différentes, ce qui est pratiquement impossible. Si la moindre erreur survient dans ce puzzle complexe, la molécule d’ARN ne se répliquera tout simplement pas. Si les fervents partisans de l’hypothèse de l’ARN admettent les lacunes du modèle, ils n’ont pas encore été en mesure de proposer une alternative favorable.

Alors, si ce n’est pas l’ARN, qu’est-ce qui pourrait être considéré comme le fondement de la vie, le premier système chimique reproductible et évolutif ? Les opposants au paradigme de l’ARN affirment depuis longtemps que la réponse à cette question ne peut être résolue au niveau d’une seule molécule. « Au sein des cellules, explique Lancet, aucune molécule ne peut se dupliquer seule ; c’est l’ensemble cellulaire qui se reproduit. » À l’intérieur de la cellule, un réseau catalysé de réactions chimiques est à l’œuvre, chargé d’absorber et de produire des copies supplémentaires de tous les composants de la cellule. Au cours du cycle cellulaire, cet ensemble croît et se divise ensuite, la progéniture étant semblable à la « mère », ainsi qu’entre elles.

Les ensembles moléculaires proposés par le Prof.  Lancet comme les premières entités reproductibles sont appelés micelles – des sphères nanométriques de la taille d’un virus, composées de molécules lipidiques. Celles-ci possèdent une propriété unique : Elles sont constituées d’une tête « aimant » l’eau et d’une queue « détestant » l’eau. Cette disposition permet aux lipides de remplir leur mission de principal composant structurel des membranes qui entourent chaque cellule vivante, ainsi que de former des structures micellaires nettement plus petites.       

Les micelles constituent également une partie importante de notre vie quotidienne. Le savon à vaisselle, par exemple, est composé de détergents de type lipidique. Lorsque le savon entre en contact avec l’eau, il se forme généralement des micelles qui sont capables de piéger les particules grasses à l’intérieur où s’organisent les queues « détestant » l’eau. Le savon mis à part, il a été démontré que les molécules lipidiques ont pu se former anciennement sur la Terre et pourraient même être arrivées ici portées par des météorites. Des études antérieures menées par le Prof. Lancet ont en outre apporté la preuve que les structures micellaires, contrairement à l’ARN, auraient pu facilement se former spontanément dans l’environnement chaotique antédiluvien.

Pour que les micelles lipidiques soient considérées comme des candidates à l’origine de la vie, elles doivent présenter des propriétés catalytiques, à savoir une capacité à accélérer les processus de réaction. Dans leur premier article, les chercheurs présentent des preuves complètes de cette hypothèse : divers exemples de catalyse lipidique. Ces découvertes, issues de l’industrie chimique, confirment l’idée que les micelles peuvent effectivement imiter les cellules actuelles. Les chercheurs ont également passé en revue les études qui ont mis en œuvre le modèle de calcul du professeur  Lancet pour prédire le comportement des lipides dans diverses conditions. Ces études démontrent que les micelles peuvent créer des copies de leur composition moléculaire à mesure qu’elles se développent – et se divisent par la suite – ce qui rappelle le comportement des cellules.

Micelles capturées par un microscope électronique. À gauche, grossissement par dix de la structure de la micelle (jaune – la tête du lipide « aimant » l’eau ; noir – la queue « aimant » la graisse). 

Et qu’en est-il de l’évolution ? Étant donné que la réplication micellaire est sujette à des erreurs – similaire d’une certaine manière à la façon dont l’ADN acquiert des mutations spontanées et aléatoires – elle pourrait faire avancer les processus d’évolution. Les chercheurs abordent également cet aspect en présentant de nouvelles voies par lesquelles les micelles auraient pu évoluer pour devenir progressivement plus complexes, jusqu’à devenir ce que l’on appelle des protocellules, simples précurseurs des cellules modernes. Dans le second article, les scientifiques apportent de nouvelles preuves biochimiques que les groupes chimiques, fixés à la surface « aimant » l’eau des micelles, peuvent former des sites de reconnaissance moléculaire, comparables à ceux que l’on trouve dans les protéines actuelles. 

Bien que le modèle micellaire de l’origine de la vie concerne les chroniques de la vie sur Terre, il pourrait également avoir un impact sur la recherche de la vie extraterrestre. Le mandat qui prévaut aujourd’hui pour la plupart des missions spatiales est axé sur la recherche de molécules d’ARN et de protéines, ou de leurs précurseurs. Cependant, de nouveaux articles suggèrent qu’il pourrait être intéressant pour les rovers qui parcourent les plaines désertiques de Mars de rechercher également des preuves d’autres entités chimiques. « Les formes de vie qui ont vu le jour et se sont développées sur différentes planètes seraient probablement très diverses », déclare le Prof. Lancet, « mais nous pensons que des débuts plus modestes, illustrés par les micelles, pourraient être communs à la vie dans de nombreux endroits de notre système solaire. »

Les progrès réalisés dans l’étude de l’origine de la vie pourraient faire avancer de nombreux autres domaines de recherche, notamment la vie synthétique et la catalyse organique. Mais ce qui est tout aussi important, c’est que ces articles pourraient catalyser un changement de paradigme dans ce domaine. « C’est un moment décisif », déclare le Prof. Lancet. « Pour la première fois, nous avons pu réunir des données complètes, à la fois computationnelles et expérimentales, selon lesquelles le modèle micellaire doit être perçu comme une alternative plausible au modèle ARN, plus largement soutenu. » Il ne reste plus qu’à résoudre les conflits et à espérer la naissance d’un consensus au sein de la communauté scientifique. 

La science en chiffres
Compte tenu de la surface des océans et de la taille minuscule des micelles, la Terre aurait pu être habitée par 10 puissance 30 micelles (1 avec 30 zéros – mille milliards de milliards de milliards) – chacune ayant sa propre composition moléculaire unique.

*Micelle : agrégat sphéroïdal de molécules amphiphiles c.a.d. de molécules possédant une chaîne hydrophile dirigée vers le solvant et un chaîne hydrophobe dirigée vers l’intérieur. Mesure de 0.001 à 0.3 micromètre