07 Août Un aperçu des origines de la vie à travers un miroir trompeur
Les scientifiques auraient résolu une énigme vieille de 150 ans : pourquoi la vie privilégie-t-elle une molécule par rapport à son image miroir ?
Imaginez que vous vous regardiez dans un miroir et que vous constatiez que votre reflet obéit à des lois différentes des vôtres : des mouvements identiques produisent des résultats différents, et ce qui semble être une copie parfaite se comporte de manière totalement différente. Cela peut paraître absurde, mais des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences et de l’Université Hébraïque de Jérusalem ont découvert que c’est précisément ainsi que se comportent les molécules chirales. Ces molécules peuvent exister sous deux formes qui sont l’image miroir l’une de l’autre, à l’instar de la main gauche et de la main droite.
Dans une nouvelle étude publiée dans Science Advances, les chercheurs ont découvert qu’un électron est soumis à un champ magnétique d’intensité différente lorsqu’il traverse chacune de ces formes symétriques. Ce comportement asymétrique remet non seulement en question les hypothèses traditionnelles, mais vient également étayer une théorie sur l’origine de la vie sur Terre.
(de gauche à droite) Le professeur Ron Naaman et le professeur Yossi Paltiel
Bien que les molécules chirales puissent exister sous deux formes, les scientifiques ont compris il y a plus de 150 ans que les organismes vivants n’en « choisissent » qu’une seule : une forme lévogyre pour les protéines et une forme dextrogyre pour les sucres, l’ADN et l’ARN. Cette préférence est déroutante, car selon les lois établies de la chimie et de la physique, des molécules symétriques devraient posséder une énergie identique. La question de l’origine de cette asymétrie occupe les scientifiques depuis des décennies, et y répondre pourrait éclairer la manière dont les premières molécules biologiques ont été créées – en d’autres termes, l’origine même de la vie.
Une première avancée vers la résolution de cette énigme a eu lieu en 1999, lorsque le professeur Ron Naaman et ses collègues de l’Institut Weizmann ont fait passer un courant électrique – un flux d’électrons – à travers des molécules chirales et ont découvert que chacune des deux formes symétriques se comportait différemment. Les électrons agissent comme de minuscules aimants, dotés de pôles nord et sud, et possèdent une propriété appelée « spin », qui détermine leur orientation magnétique. Lorsque ces minuscules aimants se déplacent à travers une molécule chirale, ils suivent une trajectoire en spirale, ce qui leur fait subir une force magnétique susceptible soit d’accélérer, soit de freiner leur mouvement. Les chercheurs ont découvert que les deux formes symétriques exercent des effets opposés : l’une accélère principalement les électrons dont le pôle nord s’aligne avec leur direction de mouvement, tandis que l’autre accélère les électrons dont le pôle nord pointe dans la direction opposée.
« Cela n’expliquait toujours pas pourquoi la nature “préfère” une forme plutôt qu’une autre », explique le professeur Naaman. « L’indice suivant est venu d’une accumulation de preuves montrant que les deux formes symétriques non seulement favorisent les électrons ayant des spins opposés, mais les transmettent également avec des rendements différents. Beaucoup ont supposé que cela était dû à une contamination des échantillons, mais les différences étaient trop importantes, et les échantillons trop purs, pour que cette explication tienne la route. »
Dans cette nouvelle étude, menée par le professeur Naaman et le professeur Yossi Paltiel de l’Université Hébraïque, les chercheurs ont examiné des versions chirales de l’or et de l’argent, ainsi que des molécules chirales biologiques, en faisant passer un courant électrique à travers chacune de leurs formes symétriques. Les expériences ont révélé des différences substantielles dans l’intensité du champ magnétique subi par les électrons dans les deux formes – des différences qui atteignaient environ 30 % dans l’or chiral.
Adsorption de cristaux d’une molécule chirale biologique sur une surface de cobalt recouverte d’or. Les cristaux plus gros d’une forme spécifique de la molécule (à gauche) ont tendance à s’accumuler davantage sur cette surface que ceux de sa forme symétrique (à droite). Sur l’image de gauche, les cristaux atteignent une hauteur d’environ 1,2 nm, tandis que sur l’image de droite, ils ne dépassent pas 0,8 nm. L’avantage physique d’une forme par rapport à l’autre en termes d’accumulation sur la surface magnétique suggère que, dans un contexte de compétition, elle deviendrait la forme dominante (« gagnante »).
Grâce à l’analyse mathématique et à des simulations informatiques, les chercheurs ont réussi à expliquer comment ce phénomène se produit. Lorsqu’un champ magnétique n’est pas aligné avec la direction du mouvement d’un électron, celui-ci ne subit qu’une partie de son intensité. Élément crucial : dans chacune des deux formes symétriques, le champ magnétique est orienté différemment, de sorte que l’électron « perçoit » effectivement une fraction différente de ce champ.
« Notre avancée a consisté à réaliser que la différence entre ces deux formes apparemment identiques n’apparaît qu’en mouvement », explique le professeur Paltiel. « Au repos, il n’y a aucune différence. Mais dès que les électrons commencent à se déplacer dans une direction particulière et rencontrent des forces magnétiques d’intensité variable, un écart significatif se creuse entre les formes, modifiant leur comportement chimique et physique. »
Les implications vont bien au-delà de la chimie et de la physique, fournissant des indices importants sur l’origine de la vie. Il y a environ trois ans, l’équipe du professeur Dimitar Sasselov, de l’université de Harvard, a émis l’hypothèse que la vie serait apparue sur des surfaces naturellement magnétisées au fond d’anciens lacs, riches en magnétite, le minéral le plus magnétique que l’on trouve dans la nature.
Lorsqu’une molécule chirale s’approche d’une surface magnétique, ses électrons se mettent à se déplacer, et les électrons présentant la même orientation magnétique s’accumulent à une extrémité de la surface. Si cette orientation est opposée à celle de la surface, la molécule est attirée ; si elle correspond, la molécule est repoussée. Ainsi, si la surface présente un pôle magnétique fixe tandis que chaque forme image présente un pôle différent, une seule forme sera attirée par cette surface, s’accumulant et se cristallisant en une structure stable. Selon la théorie de Harvard, c’est ce qui s’est produit avec une molécule primordiale appelée RAO, à partir de laquelle l’ARN a finalement évolué.
« Cette théorie explique comment une forme chirale pourrait finir par dominer si la surface magnétique la favorisait systématiquement », explique le professeur Naaman. « Le problème, c’est que les surfaces magnétiques ne sont pas uniformes : elles contiennent des zones présentant à la fois des orientations nord et sud, ce qui laissait penser que les deux formes pourraient s’accumuler. »
C’est là qu’interviennent les nouvelles découvertes. Comme l’une des formes symétriques transmet plus efficacement les électrons d’un spin donné vers son bord, elle peut s’aligner plus efficacement avec une surface qui contient les deux orientations magnétiques. Les chercheurs ont également observé que lorsqu’une molécule chirale biologique entre en contact avec une surface métallique, les différences magnétiques entre ses formes symétriques sont amplifiées – potentiellement suffisamment pour garantir que seule une forme s’accumule.
Les roches anciennes riches en fer de la région de Pilbara, dans le nord-ouest de l’Australie. La vie sur Terre aurait pu apparaître pour la première fois sur des surfaces magnétiques au fond de lacs primitifs. Photo : Shutterstock
Dans le cas de la molécule d’ARN primitive, la forme dextrogyre semble avoir été privilégiée. Cet avantage physique en a fait la norme pour toutes les molécules d’ARN présentes dans la nature. Or, les protéines sont synthétisées à partir de l’ARN selon un processus qui préserve la relation de chiralité ; ainsi, si toutes les molécules d’ARN sont dextrogyres, toutes les protéines finiront par être lévogyres.
Ainsi, ces nouvelles découvertes contribuent non seulement à résoudre un mystère vieux de 150 ans, mais viennent également étayer l’hypothèse selon laquelle la vie sur Terre pourrait avoir pris naissance sur les surfaces de minéraux magnétiques au fond d’anciens lacs.
Aujourd’hui, ce processus de sélection primordial peut être reproduit en laboratoire au profit de l’humanité. « Dans les réactions biologiques, la forme spécifique en image miroir est cruciale », explique le professeur Naaman. « L’utilisation de la mauvaise forme dans les processus industriels peut s’avérer inefficace au mieux et nocive au pire, tant pour la santé humaine que pour l’environnement. D’après nos résultats, des surfaces magnétiques pourraient être utilisées pour garantir, avec une précision sans précédent, que seule la forme chirale souhaitée cristallise pendant la production. Cela pourrait conduire au développement de médicaments, d’engrais et de pesticides plus sûrs et plus efficaces. »
La Science en Chiffres
La plage de températures dans laquelle les molécules chirales sélectionnent efficacement des électrons présentant un spin spécifique se situe entre 60 et 80 °C. Cette plage correspond aux températures estimées au fond des lacs anciens considérés comme le berceau de la vie sur Terre.
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