11 Sep Un indice magnétique sur les origines de la vie

Une étude suggère que les surfaces magnétiques pourraient influencer non seulement la chiralité des molécules biologiques, mais aussi leur composition isotopique, établissant ainsi un lien entre deux empreintes fondamentales de la vie.

Une étude apportant de nouveaux indices sur l’origine de la vie sur Terre a vu le jour lors d’un dîner en famille. « Nous essayons d’éviter de parler de science pendant les dîners du vendredi soir, mais cela fonctionne rarement », se souvient la professeure Michal Sharon, de l’Institut Weizmann des Sciences. Deux de ses trois frères et sœurs sont scientifiques, dont son frère, le professeur Yossi Paltiel, physicien à l’Université hébraïque de Jérusalem.

(g-d) Prof. Michal Sharon and Prof. Yossi Paltiel

Ce soir-là, le Prof. Paltiel a présenté ses recherches sur la séparation des molécules en fonction de leur structure spatiale. Cette conversation a donné lieu à une collaboration entre les deux frères et sœurs, qui les a conduits vers un domaine nouveau pour eux deux : la recherche des origines de la vie. Leur étude, récemment publiée dans la revue Chem, apporte un chaînon manquant à une théorie selon laquelle la vie serait apparue pour la première fois sur des surfaces magnétiques, telles que les fonds de lacs peu profonds riches en minéraux magnétiques.

Gauche, droite… et une torsion magnétique

La structure moléculaire des êtres vivants constitue l’une des énigmes persistantes de la nature. De nombreuses molécules biologiques existent sous deux formes symétriques, à l’image d’une main gauche et d’une main droite. Les chimistes appellent cette propriété la chiralité. En principe, ces formes devraient se présenter avec la même fréquence, mais les organismes vivants affichent un déséquilibre frappant. Les acides aminés, éléments constitutifs des protéines, sont presque exclusivement « gauchers », tandis que l’ADN et l’ARN s’enroulent dans le sens opposé, vers la droite.

Cette asymétrie n’est pas un détail anodin. Les réactions biologiques dépendent d’une structure moléculaire précise ; si la chiralité n’est pas la bonne, la réaction peut échouer complètement. La chiralité est donc considérée comme une empreinte chimique essentielle de la vie.

Lors de ce dîner du vendredi, le Prof. Paltiel a décrit ses travaux menés avec le professeur Ron Naaman de l’Institut Weizmann sur la séparation des molécules en fonction de leur chiralité. Bien que les molécules chirales ne soient pas magnétiques, les surfaces magnétisées peuvent attirer de manière sélective une « main » plutôt que l’autre. Cet effet a été utilisé pour séparer des molécules et des cristaux en image miroir. En effet, la séparation des molécules en fonction de leur chiralité est essentielle dans la fabrication de médicaments, de pesticides et de nombreux autres produits chimiques bioactifs qui doivent être produits avec la chiralité appropriée pour être efficaces.

Lorsque le Prof. Paltiel a présenté ces études, le Prof. Sharon a compris que son expertise pourrait être utile. Elle est spécialisée en spectrométrie de masse, une technique qui identifie les molécules en mesurant leur masse. Elle a proposé de l’utiliser pour analyser le processus de séparation et vérifier quelles molécules avaient été obtenues.

Dans le cadre de leur étude conjointe, Ofek Vardi, doctorante au sein du laboratoire du Prof. Paltiel, a réalisé une expérience conçue par les deux équipes. Avec ses collègues, elle a utilisé des versions « droitières » et « gauchères » de la méthionine – un acide aminé  indispensable au déclenchement de la synthèse protéique – et a fait passer une solution contenant cet acide aminé à travers un filtre en papier imprégné de particules magnétiques de l’ordre du micron.

Pour suivre les molécules, les chercheurs ont incorporé deux isotopes de carbone – des atomes d’un même élément ayant des masses différentes – dans l’acide aminé. Dans certaines expériences, les molécules dextrogyres (« droitières ») contenaient l’isotope carbone 12, plus courant et plus léger, tandis que les molécules lévogyres (« gauchères ») contenaient le carbone 13, plus lourd ; dans d’autres, cette répartition était inversée. Le sens de l’aimantation a également été inversé : au cours de différentes itérations de l’expérience, les aimants ont d’abord été orientés vers la solution avec l’un de leurs pôles, nord ou sud, puis avec l’autre. Après avoir filtré la solution, les scientifiques ont utilisé la spectrométrie de masse pour mesurer le rapport isotopique et l’équilibre entre les deux formes chirales.

(g-d) Prof. Michal Sharon, Prof. Yossi Paltiel, Dr. Gili Ben-Nissan, Dr. Shira Yochelis, Ofek Vardi

Le résultat fut inattendu. Le filtre magnétique semblait séparer la méthionine non seulement en fonction de sa chiralité, mais aussi en fonction de sa composition isotopique. Les molécules contenant l’isotope de carbone le plus lourd – quelle que soit leur chiralité – manifestaient une attraction plus forte pour les particules magnétisées dans un sens plutôt que dans l’autre.

Les chercheurs ont ensuite poussé cette idée plus loin. « Nous avons utilisé des molécules de méthionine lévogyres qui ne diffèrent que par leur composition isotopique », explique Ofek Vardi. « Fait remarquable, le filtre magnétique a systématiquement favorisé une composition par rapport à l’autre au cours de la séparation. »

En d’autres termes, le magnétisme permettait de distinguer non seulement les molécules en image miroir, mais aussi les isotopes.

« C’était la découverte la plus importante et la plus surprenante de cette étude », déclare le Prof. Paltiel.

Il explique que la séparation magnétique des molécules chirales résulte d’une propriété quantique des électrons appelée « spin », un infime moment magnétique qui diffère entre les formes symétriques. Les isotopes peuvent également présenter des spins différents – dans leur cas, au niveau des noyaux atomiques –, bien que l’effet soit généralement beaucoup plus faible. Les chercheurs émettent l’hypothèse que la structure tridimensionnelle des molécules chirales pourrait amplifier les interactions entre ces deux types de spin, établissant ainsi un lien entre l’attraction magnétique et la composition isotopique d’une manière jusqu’alors inconnue.

Deux signatures de la vie – liées

La chiralité n’est pas la seule signature chimique de la vie. Les organismes vivants présentent également des différences subtiles mais constantes dans les rapports isotopiques par rapport à la matière non vivante qui les entoure. Ces légers écarts constituent une deuxième empreinte de la vie et sont largement utilisés pour détecter des traces d’activité biologique ancienne.

La vie a tendance à privilégier les isotopes plus légers. Les plantes comme les animaux, par exemple, contiennent légèrement moins de carbone 13 que leur environnement. Ces profils isotopiques peuvent perdurer dans les roches pendant des milliards d’années, offrant ainsi des indices sur les premières formes de vie sur Terre.

Ces nouvelles découvertes suggèrent pour la première fois un lien entre ces deux empreintes : la chiralité et les rapports isotopiques. Si les premières réactions biochimiques se sont produites sur des surfaces magnétiques, ce magnétisme a peut-être eu une influence durable sur ces deux propriétés.

Cette idée s’inscrit dans le cadre de l’hypothèse, proposée pour la première fois par le groupe du professeur Dimitar Sasselov de l’université de Harvard, selon laquelle la vie sur Terre serait apparue sur des surfaces magnétiques naturelles, telles que les fonds d’anciens lacs riches en minéraux. Au fil du temps, des réactions impliquant des minéraux ferreux auraient pu produire des sédiments magnétisés dans ces eaux chaudes et peu profondes – des environnements potentiellement propices à l’émergence de la vie. Si tel est le cas, ces fonds lacustres magnétiques auraient pu favoriser les molécules d’une chiralité particulière, tout en influençant leur composition isotopique.

« Si la vie a réellement pris naissance sur des surfaces magnétiques, nos résultats apportent une preuve expérimentale que le magnétisme pourrait être à l’origine à la fois de l’asymétrie des molécules biologiques et des rapports isotopiques dans la matière vivante », explique le Prof. Paltiel.

« Lorsqu’un étudiant m’a demandé si cela me dérangerait de travailler avec le Prof. Sharon, je lui ai répondu : “Pas du tout. C’est ma sœur.” »

Un terrain d’entente pour une famille de scientifiques

Au-delà de ses implications pour l’origine de la vie, cette étude pourrait avoir des applications pratiques. Elle pourrait déboucher sur de nouvelles technologies combinant les effets magnétiques et la spectrométrie de masse pour séparer à la fois les molécules chirales et les isotopes.

Pour les Prof. Sharon et Paltiel, ce projet revêt également une dimension personnelle. Leur père, le Dr Zvi Paltiel, physicien à la retraite de l’Institut Weizmann, a consacré une grande partie de sa carrière à l’enseignement des sciences.

« Il nous a encouragés à explorer les sciences dès notre plus jeune âge et nous a transmis son émerveillement face à la nature : pourquoi les couchers de soleil sont rouges, comment se forme la pluie et pourquoi elle tombe souvent en biais », se souvient le Prof. Sharon.

Les deux frères et sœurs avaient déjà collaboré auparavant, grâce à un étudiant du Prof. Paltiel qui lui avait un jour suggéré de travailler avec le Prof. Sharon. Cet étudiant avait entendu parler de la réputation du Prof.  Sharon en tant qu’experte de premier plan en spectrométrie de masse et avait demandé au Prof. Paltiel s’il aurait des objections à cette collaboration. « Pas du tout », avait répondu le Prof. Paltiel. « C’est ma sœur. »

Pourtant, jusqu’à ce projet, le Prof. Sharon pensait que leurs domaines de recherche étaient très éloignés l’un de l’autre. « J’ai toujours pensé que Yossi et moi travaillions dans des domaines complètement différents », explique-t-elle. « Aujourd’hui, nous avons découvert un terrain d’entente : essayer de comprendre comment la vie est apparue. »

La science en chiffres

Les différences entre les isotopes sont infimes, mais elles peuvent avoir des effets mesurables. Les isotopes du carbone ne diffèrent les uns des autres que par un seul neutron; les rapports isotopiques entre la matière vivante et la matière non vivante varient souvent de moins de 0,1 %. Les scientifiques peuvent néanmoins utiliser ces différences subtiles pour détecter la vie.

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