ORIGINE DE LA VIE

Les enzymes

Dans une cellule contemporaine, la copie de l'information contenue dans l'ADN est assurée par des protéines chimiquement actives, les enzymes. Celles-ci peuvent être comparées à des mots constitués à partir de vingt lettres différentes, les acides aminés. Les « mots » des enzymes contiennent en moyenne près de deux cents lettres. Les vingt acides α-aminés utilisés par les enzymes, de type NH₂-CHR-COOH, comportent une fonction amine NH₂ et une fonction acide carboxylique COOH séparées par un seul atome de carbone. Ils diffèrent par la nature du substituant R. Celui-ci porte quelquefois une fonction chimiquement active, siège d'une activité catalytique. Les acides ω-aminés, ayant plusieurs atomes de carbone entre les fonctions amine et acide carboxylique, et les acides aminés disubstitués n'entrent pas dans la composition des enzymes. De plus, celles-ci n'utilisent que les énantiomères L des acides α-aminés.

Une enzyme résulte de l'assemblage d'acides α-aminés par élimination d'une molécule d'eau entre deux acides aminés dans un milieu essentiellement aqueux (phénomène de condensation). La chaîne ainsi formée adopte des conformations rigides (hélices α et feuillets β), elles-mêmes asymétriques, qui jouent un rôle essentiel dans les fonctions de catalyse.

Les acides aminés peuvent être synthétisés en laboratoire dans des conditions simples en utilisant diverses sources d'énergie, comme le rayonnement ultraviolet, les rayons X, la chaleur ou les décharges électriques. Des acides aminés ont également été observés dans certaines météorites et micrométéorites carbonées : on y trouve des acides α-aminés protéiques ainsi que des acides aminés non protéiques (acides ω-aminés et acides aminés disubstitués).

La chimie des peptides offre toute une panoplie d'agents d'activation qui permettent de condenser les acides aminés dans les solvants organiques. Dans l'eau, le nombre de ces agents est beaucoup plus restreint, surtout si on se limite aux agents ayant pu être présents sur la Terre primitive. Les carbodiimides, R-N=C=N-R, qui sont couramment utilisées en milieu organique, peuvent être employées dans l'eau à condition de choisir judicieusement les substituants et les conditions expérimentales. Elles ont permis de synthétiser dans l'eau de longs peptides contenant jusqu'à trente acides aminés. La carbodiimide le plus simple, H-N=C=N-H, peut être considérée comme une forme tautomère du cyanamide, H₂N-CN, présent dans le milieu interstellaire. En fait, le cyanamide n'est pas stable et forme un dimère, le dicyandiamide, H₂N-C(=NH)-NH-CN, qui est aussi réactif que la carbodiimide. Des peptides ont été obtenus à l'aide de cyanamide et de dicyandiamide. Cependant, les réactions sont très lentes et ne permettent pas d'aller au-delà d'un peptide formé de quatre acides aminés (tétrapeptide). Le tétramère de HCN, le diaminomaléonitrile, NC-C(NH₂)=C(NH₂)-CN, permet d'obtenir 3 p. 100 de dipeptide glycine-glycine.

Les surfaces minérales peuvent être utilisées pour condenser les acides aminés dans l'eau. En solution aqueuse homogène, l'anhydride mixte alanyladénylate polymérise partiellement, mais la réaction de désactivation par hydrolyse constitue la réaction prépondérante. En présence d'argile, par exemple de montmorillonite, la réaction d'hydrolyse est supprimée, et on observe la formation de longues chaînes de polymères d'alanine. Lorsqu'un mélange de glycine et de kaolinite ou de bentonite est soumis à des cycles d'humidification et de déshydratation et à des cycles de température (25-94 ⁰C), on observe la formation du pentamère de la glycine alors qu'en absence d'argile n'apparaissent que des traces de diglycine. James Ferris (Ferris et al., 1996) a obtenu de longues chaînes peptidiques de cinquante-cinq acides aminés en procédant à des additions successives de carbonyldiimidazole en présence d'illite.

La condensation thermique des acides aminés a été abondamment étudiée par Sidney Fox. En chauffant des mélanges d'acides aminés, à l'état solide, à 130 ⁰C, il obtient des polymères de hauts poids moléculaires qu'il appelle «  protéinoïdes » surtout lorsque des acides aminés acides (acide glutamique) ou basiques (lysine) sont présents dans le mélange. Ces protéinoïdes catalysent la décomposition du glucose et se comportent comme certains enzymes. Le principal intérêt des protéinoïdes réside dans leur organisation en vésicules, mais ils présentent une complexité considérable. En chauffant un mélange de L acides aminés, les peptides ne représentent que 50 p. 100 du produit obtenu, et ils sont racémisés. De plus, les séquences qui en résultent sont très diversifiées.

Le carbonyldiimidazole (CDI), trop complexe pour être qualifié de prébiotique, permet néanmoins de mettre en évidence le double rôle joué par l'eau : solvant mais aussi réactif pilotant la condensation sélective des acides aminés dans l'eau. Le CDI permet de condenser efficacement les acides α-aminés dans l'eau. L'activation porte sur la fonction NH₂ de l'acide aminé. Le composé N-activé forme d'abord un cycle N-carboxyanhydride, qui polymérise ensuite dans l'eau. Lorsque l'acide aminé est traité par le carbonyldiimidazole dans un solvant organique, l'activation porte sur la fonction acide carboxylique. Mis en présence d'eau, l'acide aminé activé sur sa fonction carboxylique est soit hydrolysé en acide aminé de départ, soit condensé en dicétopipérazine, un dipeptide cyclique sans grand intérêt. C'est seulement lorsque l'eau est présente dès le départ qu'elle peut orienter la réaction vers la formation de peptides. La formation d'un cycle carboxyanhydride est restreinte aux seuls acides α-aminés. Les acides ω-aminés ne sont pas condensés en peptides. Par ailleurs, les acides α-aminés disubstitués ne peuvent pas être activés en raison de leur encombrement stérique trop important. Un mélange d'acides aminés renfermant les acides aminés les plus abondants de la météorite de Murchison (acides α-aminés, ω-aminés et α-aminés disubstitués) a été traité dans l'eau par le carbonyldiimidazole. Le condensat, isolé en fin de réaction, est enrichi en acides α-aminés, illustrant ainsi le caractère sélectif de la réaction pilotée par l'eau.

Dans les protéines, la chaîne peptidique adopte essentiellement deux géométries rigides, l'hélice et le feuillet. L'hélice α est à enroulement droit et renferme 3,6 acides aminés par tour ; elle est stabilisée par des liaisons hydrogène qui s'établissent entre les groupes carbonyles C=O et les groupes NH d'une même chaîne. Le feuillet β résulte de l'association de plusieurs hélices très étirées renfermant deux acides aminés par tour. Les hélices α sont faciles à modéliser : il suffit, par exemple, de prendre des acides aminés hydrophiles (solubles dans l'eau, car ils portent une fonction ionisable sur la chaîne latérale) et des acides aminés hydrophobes (très peu solubles dans l'eau) et de les assembler dans n'importe quel ordre. Lorsque les chaînes sont suffisamment longues, une vingtaine d'acides aminés environ, elles adoptent dans l'eau la conformation en hélice α. Il faut toutefois signaler que certains acides aminés, comme la proline et la glycine, cassent les hélices α.

Les feuillets β solubles dans l'eau, sont obtenus en alternant strictement des acides aminés hydrophiles et hydrophobes. Ces polypeptides alternés acquièrent une structure en feuillets β en solution aqueuse par agrégation des groupes hydrophobes, à condition que le caractère hydrophobe soit bien marqué. Lorsque l'on ajoute de l'alcool à l'eau, la force des interactions hydrophobes s'atténue, et le polypeptide adopte alors une conformation hélicoïdale α. C'est donc l'eau qui, par ses propriétés physiques spécifiques, permet la structuration en feuillets β.

Les conditions atmosphériques inhospitalières à la surface de la Terre primitive constituaient vraisemblablement un facteur important de dégradation chimique. Les feuillets β des polypeptides, construits par une alternance d'acides aminés hydrophiles et hydrophobes, résistent bien à la coupure par les acides. Placés dans les mêmes conditions de dégradation, les chaînes renfermant ces mêmes acides aminés, mais liés dans le désordre, sont dégradées beaucoup plus rapidement. Cette stabilité différenciée a peut-être permis la sélection des séquences alternées, plus résistantes. Les chaînes latérales hydrocarbonées des acides aminés protéiques hydrophobes sont ramifiées. C'est le cas de la valine. La norvaline, son homologue à chaîne latérale linéaire, n'est pas présente dans les protéines, bien qu'elle se forme aisément dans les réactions de simulation et qu'elle soit présente dans les météorites. Lorsque la norvaline est associée à un acide aminé hydrophile, elle ne génère pas de feuillets β, car son caractère hydrophobe est moins marqué que celui de la valine. Du coup, elle ne confère pas une bonne résistance vis-à-vis de la dégradation chimique de la chaîne peptidique, ce qui pourrait expliquer l'absence de cet acide aminé faiblement hydrophobe dans les protéines.

La formation de feuillets β requiert l'utilisation d'acides aminés de même configuration, tous L ou tous D. Lorsque les séquences alternées renferment à la fois des énantiomères L et D distribués au hasard le long des chaînes, seuls les segments contenant au moins six acides aminés L (ou D) consécutifs s'agrègent en îlots β, optiquement purs. Par hydrolyse ménagée, il a été possible d'isoler une fraction enrichie en un énantiomère, et donc d'amplifier l'asymétrie moléculaire.

De nombreux peptides courts et certains polypeptides simples manifestent une activité catalytique, c'est-à-dire qu'ils sont capables d'accélérer certaines réactions chimiques. Les propriétés catalytiques mises en évidence à ce jour concernent essentiellement l'hydrolyse des esters. Il a été montré que les peptides basiques courts ne renfermant que deux acides aminés différents coupent les acides ribonucléiques. Le décapeptide à séquence alternée (L-leucyl-L-lysine)₅ accélère l'hydrolyse des petits morceaux d'ARN (oligoribonucléotides). Mis en présence d'oligoribonucléotides, le peptide s'associe à ces derniers et adopte une conformation en feuillets β. Le polypeptide alterné racémique, poly(D, L leucyl-D,L-lysine), qui ne peut pas adopter la structure β en raison de la présence simultanée des deux énantiomères L et D, est pratiquement inactif. Cet exemple montre qu'un petit peptide simple peut développer une activité chimique directement liée à sa géométrie, modélisant ainsi ce qui se passe dans le site actif des enzymes (Brack, 1993).

Les lipides

Dans la cellule contemporaine, le support de l'information et l'outil de copie sont fournis par des molécules différentes, respectivement l'ADN et l'ARN, et les enzymes. Ces molécules sont maintenues à proximité par une membrane. Toutes les membranes biologiques sont constituées par des lipides, molécules dites amphiphiles car elles possèdent une tête polaire hydrophile et des chaînes carbonées hydrophobes.

Certains lipides très simples, les acides gras, forment des vésicules à condition que la chaîne hydrocarbonée renferme au moins dix atomes de carbone. Toutefois, les membranes uniquement formées d'acides gras ne sont stables que dans des conditions expérimentales bien particulières ; des composés chimiques plus sophistiqués ont donc vraisemblablement été nécessaires pour conférer une bonne stabilité aux membranes primitives. Les lipides peuvent être obtenus en condensant les acides gras avec le glycérol. On peut obtenir des phospholipides en liant les acides gras au glycérol-3-phosphate avec des rendements atteignant 45 p. 100. Ainsi la plupart des phospholipides biologiques peuvent-ils être obtenus dans les conditions supposées de la Terre primitive à partir des acides gras ; il faut cependant noter que les acides gras sont produits à partir de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène, à des températures de l'ordre de 450 ⁰C, températures peu compatibles avec ces conditions.

Les oligomères courts de l'isoprène, H—(CH₂—C(CH₃)=(CH—CH₂)_n, représentent une piste intéressante pour la formation d'acides gras. Hydrogénés, ils entrent dans la composition de certaines vitamines (E, K₁), de la chlorophylle et, surtout, dans celle des lipides de certaines archaebactéries (Halobacterium cutirubrum, par exemple). Guy Ourisson et Yoichi Nakatani (1994) ont réussi à former des vésicules à partir de molécules résultant de la fixation de deux chaînes de diisoprène sur un groupe phosphate.

L'analyse minutieuse des météorites carbonées a permis de détecter la présence d'acides gras renfermant huit atomes de carbone dans les échantillons de la météorite de Murchison. Des substances organiques extraites des chondrites carbonées de Murchison et d'Allende forment, en milieu aqueux, des structures cloisonnées qui ressemblent à des membranes.

Des agrégats ne comportant pas de lipides ont été proposés comme modèles de membranes primitives. Les plus connus sont certainement les microsphères obtenues, dans les années 1970, par Sidney Fox à partir de protéinoïdes. Chauffées dans l'eau, les protéinoïdes forment des microsphères possédant une interface qui rappelle les membranes biologiques ; ces microsphères augmentent de taille, bourgeonnent et se divisent comme des bactéries.

Les membranes ont vraisemblablement joué un rôle déterminant dans les premières étapes de la vie en évitant la dispersion des molécules dans l'eau. Il est tout à fait raisonnable de penser que des vésicules étaient présentes dans les océans de la Terre primitive.

Les acides nucléiques

L'information génétique qui permet la formation d'une cellule fille identique à la cellule mère est contenue actuellement dans les acides nucléiques. Ce sont des chaînes très longues, constituées par la répétition de nucléotides. Chaque nucléotide se compose d'un sucre (le ribose pour l'ARN, doté d'un groupe OH, et le désoxyribose pour l'ADN), d'une base (purine ou pyrimidine) et d'un groupe phosphate. L'établissement de liaisons hydrogène permet l'appariement préférentiel des bases, grâce auquel l'ADN adopte une conformation stable en double hélice constituée par l'association tête-bêche de deux brins polynucléotidiques complémentaires. L'appariement des bases fournit également à l'ADN le moyen de transférer l'information qu'il porte imprimée dans sa séquence par un mécanisme d'autoréplication ; les deux brins complémentaires se séparent, et chacun d'eux sert de matrice pour la synthèse d'une nouvelle chaîne. La copie se fait avec une excellente précision, puisque le taux d'erreur de copie est de l'ordre d'un acide aminé sur dix mille.

Dans les années 1980, Thomas Cech découvrit que certains ARN étaient capables non seulement de véhiculer l'information, mais aussi d'exercer une activité catalytique à l'instar des enzymes protéiques. Il montra, par exemple, qu'un fragment d'ARN d'un protozoaire eucaryote, Tetrahymena thermophila, était excisé sans l'intervention d'aucune enzyme. Le fragment excisé se comporte comme une véritable enzyme. Il augmente considérablement la vitesse d'hydrolyse de divers oligoribonucléotides. Mis en présence d'un pentanucléotide, il joue même le rôle d'une matrice de polymérisation, puisqu'il permet l'obtention de chaînes renfermant jusqu'à trente nucléotides. Très vite se développa l'idée d'un monde d'ARN, berceau de la vie sur Terre, idée confortée par des travaux remarquables d'évolution dirigée en tube à essai. Grâce aux travaux de Gerald Joyce et de Jack Szostak (cf. Eckland et Bartel, 1996), on sait maintenant que les fragments d'ARN possédant des propriétés catalytiques, appelés ribozymes, possèdent les propriétés de certaines enzymes (DNase, ligase ou RNA polymérase).

La grande majorité des travaux de reconstitution en laboratoire d'acides nucléiques prébiotiques fut donc consacrée aux ARN, car ils sont considérés comme étant plus anciens que les ADN à désoxyribose. Dans les cellules contemporaines, les briques (nucléotides) qui servent à construire l'ADN sont toujours fabriquées à partir de celles de l'ARN, par réduction du groupe OH du ribose. Cela suggère que les briques de l'ARN ont précédé celles de l'ADN dans l'évolution. Le second argument en faveur de l'ancienneté de l'ARN s'appuie sur le rôle décisif joué par les molécules d'ARN dans l'activation et le transport des acides aminés lors de la biosynthèse des protéines. Bien que l'information initiale, qui commande l'ordre d'enchaînement des acides aminés dans la protéine en construction, soit contenue dans l'ADN, la machinerie de synthèse n'utilise que des molécules d'ARN (ARN messager et ARN de transfert). Enfin, on sait que les molécules d'ARN possèdent des propriétés catalytiques, ce qui n'est pas le cas, à l'heure actuelle, des molécules d'ADN.

Le phosphore est présent dans les roches magmatiques terrestres sous forme de fluoroapatite, Ca₅(PO₄)₃F, qui représente 0,6 p. 100 de la masse minérale totale. La chloroapatite est le phosphate minéral le plus abondant dans les météorites. La fluoroapatite n'est pratiquement pas soluble dans l'eau à pH 7, mais la solubilité peut être fortement augmentée par complexation avec un diacide comme l'acide oxalique.

Les bases puriques sont obtenues facilement à partir de l'acide cyanhydrique, HCN, ou en soumettant un mélange gazeux de méthane, d'éthane et d'ammoniac à des décharges électriques. Toutefois, les rendements de synthèse sont de l'ordre de 0,02 p. 100. Les bases puriques sont présentes dans les météorites et peut-être dans les comètes. Aucune synthèse de pyrimidines n'a pu être obtenue à l'aide des décharges électriques et les rendements obtenus à partir de l'acide cyanhydrique sont de 0,003 p. 100.

La synthèse des sucres à partir de formaldéhyde, HCHO, fournit un mélange très complexe dans lequel le ribose recherché ne représente qu'une infime fraction.

La synthèse de nucléosides, combinaison covalente de la base et du ribose, peut être réalisée en chauffant un mélange de ribose et de purine à l'état solide. Les rendements sont de l'ordre de 2 à 3 p. 100 ; cependant, la base se lie en plusieurs endroits du sucre, sans préférence marquée pour la liaison présente dans l'ARN. Signalons qu'aucune synthèse de nucléosides à pyrimidine n'a été décrite à ce jour.

La fixation du groupe phosphate au nucléoside peut être obtenue par chauffage. Ce groupe se fixe sur le ribose, sans aucune spécificité. La réaction nécessite des températures supérieures à 100 ⁰C, condition qui entraîne la perte partielle des bases azotées.

La formation d'une chaîne d'acide nucléique requiert l'élimination d'une molécule d'eau entre le groupe phosphate et le sucre. Cette déshydratation nécessite un apport d'énergie. Généralement, les chaînes ne dépassent pas l'hexanucléotide. Le simple chauffage est souvent utilisé, les températures employées variant de 60 à 130 ⁰C, en association avec une activation chimique qui peut prendre plusieurs formes : acide polyphosphorique, cyanamide, phosphate cyclique. Dans toutes les synthèses publiées, les enchaînements phosphodiester se font sans préférence marquée pour la liaison naturelle. En 1996, James Ferris a découvert une argile qui catalyse efficacement la condensation des nucléotides.

Tout devient plus facile lorsque l'on fait appel à un polynucléotide préformé qui joue le rôle de matrice. La réplication chimique, ou non enzymatique, a été étudiée d'une manière intensive par Leslie Orgel. Les brins préformés de polyC, (un polyribonucléotide à pyrimidines) sont capables de fixer les nucléotides complémentaires G (à purines) pour former une double hélice grâce à l'appariement des bases G et C. Les nucléotides G organisés le long de polyC peuvent alors se lier les uns aux autres, car la géométrie hélicoïdale amène les groupes réactifs en proche voisinage. La condensation est efficace et conduit à la formation de liaisons naturelles. La réaction est très spécifique : si l'on présente à la matrice polyC un cocktail de nucléotides, le nucléotide G complémentaire est incorporé 100 à 500 fois plus efficacement que les autres. En l'absence de matrice, la condensation du nucléotide G activé est très peu efficace et conduit à un mélange complexe de produits de petite taille.

Il est aussi possible de transférer une information contenue dans la séquence de la matrice. La séquence matricielle C—C—G—C—C dirige la condensation d'un mélange de G et de C activés et fournit majoritairement G—G—C—G—G.

La réplication chimique est donc possible. Cependant, elle se heurte encore à un certain nombre de difficultés. L'effet de matrice ne s'exerce qu'à partir d'une matrice renfermant au moins 60 p. 100 de pyrimidine, les matrices à purine étant incapables de diriger la synthèse de nucléotides. Comme la matrice à pyrimidine ne positionne que les nucléotides à purines, les chaînes filles sont, de ce fait, constituées majoritairement de purines, et donc stériles. Il est néanmoins possible d'utiliser une matrice à purines à condition de l'inclure dans une triple hélice, comme l'a montré K.C. Nicolaou. Günter von Kiedrowski utilise, lui, une matrice contenant 50 p. 100 de purines C—C—G—C—G—G alimentée avec un mélange de trinucléotides activés C—C—G et C—G—G.

Dans les expériences de réplication chimique, la matrice est constituée de sucres D, et les nucléotides activés sont également D. En alimentant la matrice D avec des nucléotides L, la condensation est peu efficace. En utilisant un mélange racémique renfermant autant de nucléotides D que de nucléotides L, on observe une inhibition presque totale de la réaction : les nucléotides L empoisonnent la condensation des nucléotides D. La réplication chimique dans les expériences ne se développe qu'avec des molécules déjà triées, situation peu plausible sur la Terre primitive.

La synthèse prébiotique de fragments courts d'acides nucléiques bute sur deux obstacles qui demeurent aujourd'hui infranchissables : la synthèse du premier brin d'ARN, et en particulier du sucre ribose, et la réplication de ce brin à partir de nucléotides racémiques. Les chimistes ont alors envisagé des acides nucléiques ancestraux plus simples. Alan Schwartz modifie le squelette en ajoutant un deuxième groupe phosphate sur le nucléotide à condenser. Les chaînes sont alors construites sur un squelette pyrophosphate. En fait, ce type de modifications du squelette ne résout ni le problème de la complexité chimique ni celui de la chiralité. Gérard Spach propose d'utiliser un squelette de glycérol phosphate, HOCH₂—CHOH—CH₂O—PO₃H₂. L'idée fut concrétisée, non sans difficulté, par Alan Schwartz. Le dérivé monophosphorylé du glycérol se referme sur lui-même pour former un cycle, et ne conduit pas aux longues chaînes linéaires souhaitées. Les nucléotides ouverts diphosphorylés furent alors choisis, car ils sont plus réactifs que les dérivés monophosphorylés.

Des travaux remarquables menés par Albert Eschenmoser (1994) montrent que le phosphate de glycolaldéhyde, CHO—CH₂O—PO₃H₂, conduit facilement, en présence de formaldéhyde, à un sucre ribopyrannose, c'est-à-dire un cycle oxygéné à six atomes. Il reste maintenant à montrer que les nucléotides à pyrannose peuvent emmagasiner et transférer l'information de séquence comme le font les nucléotides biologiques.

Malgré tous les efforts déployés, on ne sait pas encore synthétiser un petit fragment d'acide nucléique dans des conditions prébiotiques c'est-à-dire simples.