Coopération moléculaire au seuil de la vie

La question de savoir comment les organismes se développent à partir de la matière inanimée est l'une des plus grandes questions de la science. Bien que de nombreuses explications aient été proposées, aucune réponse définitive n'a été apportée. Ce n'est pas une surprise : ces processus se sont déroulés il y a trois à quatre milliards d'années, à une époque où les conditions sur Terre étaient complètement différentes de celles d'aujourd'hui.

Justifier les hypothèses par des données expérimentales

«Au cours de cette vaste période, l'évolution a complètement effacé les traces des origines de la vie», déclare Roland Riek, professeur de chimie physique et directeur associé du nouveau centre interdisciplinaire de l'ETH Zurich sur l'origine et la prévalence de la vie. La science n'a pas d'autre choix que de formuler des hypothèses et de les étayer autant que possible par des données expérimentales.

Depuis des années, Roland Riek et son équipe poursuivent l'idée que les agrégats de protéines, appelés amyloïdes, pourraient avoir joué un rôle important dans la transition entre la chimie et la biologie. La première étape du groupe de recherche a été de démontrer que de tels amyloïdes peuvent être formés relativement facilement dans les conditions qui prévalaient probablement sur la Terre primitive : en laboratoire, il suffit d'un peu de gaz volcanique (ainsi que de compétences expérimentales et de beaucoup de patience) pour que de simples acides aminés se combinent en courtes chaînes peptidiques, qui s'assemblent ensuite spontanément en fibres (voir cette news sur le site de l'ETH Zurich).

Les molécules précurseuses de la vie

Plus tard, l'équipe de Roland Riek a démontré que les amyloïdes peuvent se répliquer (voir cette news de l'ETH Zurich) - ce qui signifie que les molécules remplissent un autre critère décisif pour être considérées comme des molécules précurseurs de la vie. Aujourd'hui, les scientifiques ont repris le même principe pour la troisième fois avec leur dernière étude, dans laquelle ils et elles montrent que les amyloïdes sont capables de se lier à des molécules d'ARN et d'ADN.

Ces interactions sont en partie basées sur l'attraction électrostatique, puisque certains amyloïdes sont - au moins par endroits - chargés positivement, tandis que le matériel génétique porte une charge négative, du moins dans un environnement neutre ou acide. Cependant, Roland Riek et son équipe ont également remarqué que les interactions dépendent aussi de la séquence des nucléotides d'ARN et d'ADN dans le matériel génétique. Cela signifie qu'elles pourraient représenter une sorte de précurseur du code génétique universel qui unit tous les êtres vivants.

La stabilité accrue est un avantage majeur

Et pourtant : «Bien que nous observions des différences dans la manière dont les molécules d'ARN et d'ADN se lient aux amyloïdes, nous ne comprenons pas encore ce que ces différences signifient», déclare Roland Riek. «Notre modèle est probablement encore trop simple.» C'est pourquoi il considère qu'un autre aspect des résultats est particulièrement important : lorsque le matériel génétique se lie aux amyloïdes, les deux molécules gagnent en stabilité. Dans l'Antiquité, cette stabilité accrue pouvait s'avérer être un grand avantage.

En effet, à l'époque, dans ce que l'on appelle la soupe primitive, les molécules biochimiques étaient très diluées. À l'inverse, dans les cellules biologiques actuelles, ces molécules sont très serrées les unes contre les autres. «Les amyloïdes ont le potentiel avéré d'augmenter la concentration locale et l'ordre des nucléotides dans un système désordonné autrement dilué», écrit le groupe de recherche dans un article récemment publié.

Roland Riek souligne que si la compétition est au cœur de la théorie de l'évolution de Darwin, la coopération a également joué un rôle majeur dans l'évolution. Les deux classes de molécules bénéficient de l'interaction stabilisatrice entre les amyloïdes et les molécules d'ARN ou d'ADN, car les molécules à longue durée de vie s'accumulent plus fortement au fil du temps que les substances instables. Il se pourrait même que la coopération moléculaire, plutôt que la compétition, ait été le facteur décisif dans l'émergence de la vie. «Après tout, il n'y avait probablement pas de pénurie d'espace ou de ressources à l'époque», explique Roland Riek.