De nouvelles recherches suggèrent que l’eau de pluie a contribué à la formation des premières parois protocellulaires

L’une des principales questions sans réponse sur l’origine de la vie est de savoir comment les gouttelettes d’ARN flottant dans la soupe primordiale se sont transformées en ces paquets de vie protégés par une membrane que nous appelons cellules.

Un nouvel article rédigé par des ingénieurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago (UChicago PME), du Département de génie chimique de l’Université de Houston et des biologistes du Département de chimie de l’UChicago, a proposé une solution.

Dans l’article publié dans Progrès scientifiquesAman Agrawal, chercheur postdoctoral de l’UChicago PME, et ses co-auteurs, dont le doyen émérite de l’UChicago PME Matthew Tirrell et le biologiste lauréat du prix Nobel Jack Szostak, montrent comment l’eau de pluie aurait pu contribuer à créer un mur maillé autour des protocellules il y a 3,8 milliards d’années, une étape cruciale dans la transition des minuscules billes d’ARN à chaque bactérie, plante, animal et humain ayant jamais vécu.

« Il s’agit d’une observation particulière et nouvelle », a déclaré Tirrell.

Les chercheurs se sont intéressés aux « gouttelettes de coacervat », des compartiments naturels de molécules complexes comme les protéines, les lipides et l’ARN. Ces gouttelettes, qui se comportent comme des gouttes d’huile de cuisson dans l’eau, ont longtemps été considérées comme les premières protocellules. Mais il y avait un problème. Ce n’était pas que ces gouttelettes ne pouvaient pas échanger des molécules entre elles, une étape clé de l’évolution, le problème était qu’elles le faisaient trop bien et trop vite.

Toute gouttelette contenant une nouvelle mutation pré-vie potentiellement utile de l’ARN échangerait cet ARN avec les autres gouttelettes d’ARN en quelques minutes, ce qui signifie qu’elles seraient toutes rapidement identiques. Il n’y aurait ni différenciation ni compétition, ce qui signifie qu’il n’y aurait pas d’évolution.

Et cela signifie pas de vie.

« Si les molécules s’échangent continuellement entre les gouttelettes ou entre les cellules, alors toutes les cellules après un court instant se ressembleront et il n’y aura pas d’évolution car vous vous retrouverez avec des clones identiques », a déclaré Agrawal.

Concevoir une solution

La vie est par nature interdisciplinaire, c’est pourquoi Szostak, directeur du Chicago Center for the Origins of Life de l’UChicago, a déclaré qu’il était naturel de collaborer à la fois avec l’UChicago PME, l’école interdisciplinaire d’ingénierie moléculaire de l’UChicago et le département de génie chimique de l’Université de Houston.

« Les ingénieurs étudient depuis longtemps la chimie physique de ces types de complexes, et plus généralement la chimie des polymères. Il est donc logique que les écoles d’ingénieurs soient dotées d’une expertise », a déclaré Szostak. « Lorsque nous étudions un sujet comme l’origine de la vie, c’est tellement compliqué et il y a tellement de parties que nous avons besoin de personnes ayant une expérience pertinente. »

Au début des années 2000, Szostak a commencé à étudier l’ARN comme le premier matériau biologique à se développer. Il a ainsi résolu un problème qui avait longtemps empêché les chercheurs d’étudier l’ADN ou les protéines comme les premières molécules de la vie.

« C’est comme le problème de l’œuf et de la poule. Qu’est-ce qui est venu en premier ? », a déclaré Agrawal. « L’ADN est la molécule qui code l’information, mais elle ne peut pas remplir de fonction. Les protéines sont les molécules qui remplissent des fonctions, mais elles ne codent aucune information héréditaire. »

Des chercheurs comme Szostak ont ​​émis l’hypothèse que l’ARN est venu en premier, « prenant soin de tout », selon les termes d’Agrawal, les protéines et l’ADN évoluant lentement à partir de lui.

« L’ARN est une molécule qui, comme l’ADN, peut coder des informations, mais elle se replie également comme des protéines afin de pouvoir également remplir des fonctions telles que la catalyse », a déclaré Agrawal.

L’ARN était un candidat probable pour le premier matériau biologique. Les gouttelettes de coacervat étaient probablement candidates pour les premières protocellules. Les gouttelettes de coacervat contenant les premières formes d’ARN semblaient être la prochaine étape naturelle.

Jusqu’à ce que Szostak jette un froid sur cette théorie, en publiant un article en 2014 montrant que l’ARN dans les gouttelettes de coacervat s’échangeait trop rapidement.

« On peut fabriquer toutes sortes de gouttelettes de différents types de coacervats, mais elles ne conservent pas leur identité propre. Elles ont tendance à échanger leur contenu en ARN trop rapidement. C’est un problème de longue date », a déclaré Szostak.

« Ce que nous avons montré dans ce nouvel article, c’est qu’il est possible de surmonter au moins une partie de ce problème en transférant ces gouttelettes de coacervat dans de l’eau distillée, par exemple de l’eau de pluie ou de l’eau douce de tout type, et elles forment une sorte de peau dure autour des gouttelettes qui les empêche d’échanger leur contenu en ARN. »

« Une combustion spontanée d’idées »

Agrawal a commencé à transférer des gouttelettes de coacervat dans de l’eau distillée au cours de ses recherches de doctorat à l’Université de Houston, en étudiant leur comportement sous un champ électrique. À ce stade, la recherche n’avait rien à voir avec l’origine de la vie, mais se limitait à l’étude de ce matériau fascinant d’un point de vue technique.

« Les ingénieurs, en particulier ceux de la chimie et des matériaux, ont de bonnes connaissances sur la façon de manipuler les propriétés des matériaux telles que la tension interfaciale, le rôle des polymères chargés, le sel, le contrôle du pH, etc. », a déclaré le professeur Alamgir Karim de l’Université de Houston, ancien directeur de thèse d’Agrawal et co-auteur principal du nouveau document. « Ce sont tous des aspects clés du monde connu sous le nom de « fluides complexes » – pensez au shampoing et au savon liquide. »

Agrawal souhaitait étudier d’autres propriétés fondamentales des coacervats au cours de son doctorat. Ce n’était pas le domaine d’étude de Karim, mais celui-ci avait travaillé des décennies plus tôt à l’Université du Minnesota sous la direction de l’un des plus grands experts mondiaux, Tirrell, qui devint plus tard doyen fondateur de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’UChicago.

Lors d’un déjeuner avec Agrawal et Karim, Tirrell a évoqué le lien entre les recherches sur les effets de l’eau distillée sur les gouttelettes de coacervat et l’origine de la vie sur Terre. Tirrell a demandé où l’eau distillée aurait pu exister il y a 3,8 milliards d’années.

« J’ai spontanément dit ‘eau de pluie !’ Ses yeux se sont illuminés et il était très enthousiaste à cette idée », a déclaré Karim. « On peut donc dire que c’était une combustion spontanée d’idées ou une idéation ! »

Tirrell a présenté les recherches d’Agrawal sur l’eau distillée à Szostak, qui venait de rejoindre l’Université de Chicago pour diriger ce qu’on appelait alors l’Initiative sur les origines de la vie. Il lui a posé la même question qu’il avait posée à Karim.

« Je lui ai demandé : « D’où pensez-vous que l’eau distillée pourrait provenir dans un monde prébiotique ? », se souvient Tirrell. « Et Jack a dit exactement ce que j’espérais qu’il dirait, c’est-à-dire de la pluie. »

En travaillant avec des échantillons d’ARN de Szostak, Agrawal a découvert que le transfert de gouttelettes de coacervat dans de l’eau distillée augmentait le temps d’échange d’ARN, de quelques minutes à plusieurs jours. Ce délai était suffisant pour la mutation, la compétition et l’évolution.

« Si les populations de protocellules sont instables, elles échangeront leur matériel génétique entre elles et deviendront des clones. Il n’y a aucune possibilité d’évolution darwinienne », a déclaré Agrawal. « Mais si elles se stabilisent contre l’échange de manière à stocker suffisamment bien leur information génétique, au moins pendant plusieurs jours, pour que les mutations puissent se produire dans leurs séquences génétiques, alors une population peut évoluer. »

Pluie, vérifié

Au départ, Agrawal a expérimenté avec de l’eau déionisée, purifiée dans des conditions de laboratoire. « Cela a incité les évaluateurs de la revue à se demander ce qui se passerait si l’eau de pluie prébiotique était très acide », a-t-il déclaré.

L’eau de laboratoire commerciale est exempte de tout contaminant, ne contient pas de sel et possède un pH neutre parfaitement équilibré entre base et acide. En bref, elle est aussi éloignée des conditions réelles qu’un matériau peut l’être. Ils avaient besoin de travailler avec un matériau plus proche de la vraie pluie.

Qu’est-ce qui ressemble plus à la pluie que la pluie ?

« Nous avons simplement collecté de l’eau de pluie à Houston et testé la stabilité de nos gouttelettes, juste pour nous assurer que ce que nous rapportons est exact », a déclaré Agrawal.

Lors de tests avec de l’eau de pluie réelle et avec de l’eau de laboratoire modifiée pour imiter l’acidité de l’eau de pluie, ils ont obtenu les mêmes résultats. Les parois grillagées se sont formées, créant les conditions qui auraient pu conduire à la vie.

La composition chimique de la pluie tombant sur Houston dans les années 2020 n’est pas celle qui serait tombée 750 millions d’années après la formation de la Terre, et on peut en dire autant du système protocellulaire modèle testé par Agrawal.

Cette nouvelle étude prouve que cette approche consistant à construire un mur maillé autour des protocellules est possible et peut fonctionner ensemble pour compartimenter les molécules de la vie, mettant les chercheurs plus près que jamais de trouver le bon ensemble de conditions chimiques et environnementales qui permettent aux protocellules d’évoluer.

« Les molécules que nous avons utilisées pour construire ces protocellules ne sont que des modèles en attendant que des molécules plus adaptées soient trouvées comme substituts », a déclaré Agrawal. « Même si la chimie sera légèrement différente, la physique restera la même. »