Des chercheurs ont mis au jour une nouvelle voie
biochimique expliquant la manière dont les premières protocellules
sur Terre auraient pu se former et évoluer pour devenir
biologiquement fonctionnelles. Ces structures auraient pu se
former, se stabiliser et héberger des réactions chimiques complexes
par le biais d'un processus de phosphorylation. Alors que l'on
croyait jusqu'ici que la phosphorylation n'était apparue que plus
tard, dans les cellules modernes, ces résultats suggèrent un
avènement bien plus primitif de ce processus.
Il y a environ 4 milliards d'années, la Terre a développé des
conditions permettant aux premières protocellules de se former. Il
s'agit d'assemblages de molécules encapsulés dans des vésicules
phospholipidiques rudimentaires, qui ont évolué pour donner
naissance aux premières cellules fonctionnelles. La formation des
membranes vésiculaires est ainsi considérée comme une étape
essentielle à l'apparition des protocellules et à leur évolutivité
chimique.
Cependant, les conditions menant à l'apparition de ces
protocellules ainsi que leur transition vers l'état de cellules
complexes et fonctionnelles demeurent en grande partie incomprises.
Il a été suggéré par le passé que les protocellules se forment à
partir d'acides gras à chaîne courte. De précédentes expériences
ont notamment montré que ces molécules peuvent former des vésicules
de composition homogène, capables d'encapsuler un ensemble d'autres
molécules, de croître et de se diviser. Toutefois, les structures
obtenues présentaient des limites en matière de fonctions et de
stabilité.
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Dans le cadre de leur nouvelle recherche, détaillée dans la
revue Chem, des scientifiques du Scripps Research
Institute proposent une nouvelle voie biochimique qui aurait pu
mener à l'apparition de protocellules, passant d'une membrane à
simple chaîne à une membrane à double chaîne de phospholipides.
Cette transition leur permettrait de devenir suffisamment stables
pour héberger des réactions chimiques complexes, à l'instar des
cellules modernes.
« Nous avons découvert une manière plausible selon laquelle
les phosphates auraient pu être incorporés dans des structures
cellulaires plus tôt qu'on le pensait, ce qui jetterait les bases
de la vie », explique dans un communiqué du Scripps Research
Institute, Ramanarayanan Krishnamurthy, coauteur principal de
la recherche. « Cette découverte nous aide à mieux
comprendre les environnements chimiques de la Terre primitive, afin
que nous puissions découvrir les
origines de la vie et comment elle a pu évoluer sur la Terre
primitive », ajoute-t-il.
Des vésicules capables de se diviser et de fusionner
Au cours de leurs expériences, les chercheurs de la nouvelle
étude ont tenté de déterminer si les phosphates pouvaient avoir été
impliqués dans la formation des protocellules. En effet, il a
précédemment été avancé que les molécules amphiphiles (possédant
une partie hydrophile et lipophile) similaires aux phospholipides
modernes sont peu susceptibles d'avoir été disponibles pour les
premières formes de vie cellulaire. De ce fait, on pensait que la
membrane des cellules primitives ne pouvait se former qu'à partir
de composés amphiphiles plus simples, tels que les acides gras à
chaîne courte.
Cependant, des études récentes ont révélé que les
phospholipides à longues chaînes peuvent être compatibles avec un
environnement prébiotique. D'autre part, étant donné que les
phosphates sont présents dans presque toutes les réactions
chimiques soutenant tout organisme vivant sur Terre, l'équipe de la
nouvelle étude soupçonne qu'ils pourraient avoir été présents dans
nos cellules plus tôt qu'on le pensait.
Afin de tester leur hypothèse, les chercheurs ont créé des
conditions au sein desquelles coexistaient des composés
prébiotiquement pertinents, notamment des acides gras et du
glycérol (un composé couramment utilisé pour la fabrication de
savon). Ils ont ensuite induit des réactions de phosphorylation en
ajoutant différents précurseurs chimiques, dans des conditions
thermiques cycliques (imitant celles de la Terre primitive). Le pH
et les ratios des différents composés ont également été variés
plusieurs fois. Les experts ont aussi ajouté des ions métalliques
et fait varier les températures de réaction, afin de représenter au
mieux les conditions fluctuantes de la Terre primitive. Des
marqueurs fluorescents ont été utilisés pour détecter la formation
des vésicules.
Les experts ont constaté que les acides gras et le glycérol
avaient subi une phosphorylation pour créer une structure à double
chaîne stable de phospholipides cycliques. Cela a donné lieu à une
gamme de vésicules présentant différentes morphologies, ainsi
qu'une tolérance variée aux ions métalliques, aux températures et
au pH. « Les vésicules ont pu passer d'un environnement
d'acides gras à un environnement de phospholipides au cours de nos
expériences, ce qui suggère qu'un environnement chimique similaire
aurait pu exister il y a 4 milliards d'années », explique
l'auteur principal de l'étude, Sunil Pulletikurti, chercheur
postdoctoral au laboratoire de Krishnamurthy.
Par ailleurs, certaines vésicules présentaient des compositions
spécifiques aux protocellules et étaient biologiquement
pertinentes. En outre, elles ont induit des réactions chimiques au
cours desquelles certaines se sont divisées, tandis que d'autres
ont fusionné. En prochaine étape, les chercheurs prévoient
d'explorer plus avant ces réactions.
Vidéo révélant la structure de vésicules produites
: