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Origine de la vie : la réponse pourrait se trouver dans les chaînes de transport d’électrons

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Des scientifiques cherchent à résoudre l'un des grands mystères de la science : l'origine de la vie. Crédits : Shutterstock/Johan Swanepoel
Les premières preuves fossiles et phylogénétiques suggèrent que la vie est présente sur Terre depuis au moins 3,5 milliards d’années. Mais comment est-elle apparue exactement ? Cette question fondamentale est toujours sujette à débat et plusieurs hypothèses sont étudiées. Une équipe de chercheurs propose une nouvelle piste de recherche pour mieux comprendre le métabolisme énergétique ancien et plus globalement, l’origine de la vie.
L’origine de la vie reste l’un des grands mystères non résolus de la science. On aborde généralement la question selon deux approches, dites « ascendante » et « descendante ». La première consiste à réaliser des expériences de chimie prébiotique. Les scientifiques recréent alors en laboratoire les environnements de la Terre primitive. Ils tentent ainsi d’identifier des réactions chimiques capables de créer les mêmes types de biomolécules et de réactions métaboliques que celles qu’on observe dans les organismes actuels. L’approche « descendante » repose quant à elle sur des techniques de biologie évolutive. Il est notamment question d’essayer de reconstruire ce à quoi les premières formes de vie auraient pu ressembler en se basant sur les données génétiques de la vie moderne.

Ces deux approches présentent toutefois des limites. L’approche ascendante permet d’établir des hypothèses sur la façon dont la vie a pu apparaître. Cependant, elle ne permet pas d’identifier lequel de ces processus est vraiment à l’origine de la vie. Quant à l’approche descendante, elle ne peut remonter que jusqu’aux gènes qui sont encore présents dans les organismes actuels. Elle ne peut donc pas remonter jusqu’à l’origine de la vie. Aaron Goldman est professeur agrégé de biologie à l’Oberlin College. Lui et ses collaborateurs proposent de combiner ces deux approches pour résoudre enfin le mystère de la vie.

Un « pont » entre un stade protocellulaire et le début de l’évolution

La recherche a montré qu’un large éventail de biomolécules peut se former de manière abiotique – donc sans présence de vie – telles que des acides aminés, des glucides, des bases nucléiques, des nucléotides, ou encore des molécules plus complexes telles que les depsipeptides et les oligomères nucléotidiques. On peut utiliser cet « inventaire » pour développer des modèles plausibles pour l’origine de la vie. Parallèlement, les géochimistes ont proposé un certain nombre d’environnements de la Terre primitive qui auraient pu être favorables aux réactions prébiotiques. Mais ces théories ne sont qu’hypothétiques, et non historiques, soulignent les chercheurs dans PNAS.

À l’inverse, l’analyse phylogénétique évolutive est une science historique. Elle utilise des séquences de gènes ou de protéines existantes pour déduire leur histoire et reconstruire leurs états ancestraux.

« Nous comprenons certains des paramètres chimiques et géochimiques qui auraient pu conduire à l’origine de la vie. En outre, nous pouvons également déduire des détails sur les premiers organismes grâce aux familles de protéines les plus anciennes », résume l’équipe.

Bien que ces deux approches soient nettement distinctes en pratique, elles visent le même objectif : découvrir l’origine de la vie. En toute logique, les résultats devraient donc converger vers un ensemble commun de conditions. De ce fait, Goldman et son équipe pensent que les recherches devraient se concentrer sur les domaines où la géochimie prébiotique et l’analyse phylogénétique se chevauchent. En particulier, il faut s’intéresser aux chaînes de transport d’électrons (CTE) et aux modes de conservation de l’énergie qui sont en lien.

Les chercheurs ont d’ailleurs identifié plusieurs modèles de CTE ancestrales. Ces derniers pourraient même remonter au tout début de l’histoire de la vie. « Nous considérons les anciennes chaînes de transport d’électrons comme un pont potentiel entre l’histoire évolutive précoce et un stade protocellulaire qui l’a précédée », écrivent-ils.

Un mécanisme énergétique omniprésent dans la nature

Cela fait cinq ans que l’équipe étudie comment les réactions métaboliques ont pu émerger dans les environnements géologiques de la Terre primitive. Leurs travaux antérieurs ont porté, entre autres, sur les réactions spécifiques de la CTE entraînées par les minéraux (sous la direction de Jessica Weber, chercheuse scientifique au JPL de la NASA), sur la manière dont les enzymes anciennes ont pu intégrer la chimie prébiotique dans leurs sites actifs (sous la direction de Goldman) et sur le métabolisme microbien dans des environnements où l’énergie est extrêmement limitée (sous la direction de Douglas LaRowe, de l’Université de Californie du Sud).

Les CTE sont un type de système métabolique que tous les organismes utilisent, des bactéries à l’Homme. Elles permettent de produire des formes utilisables d’énergie chimique. Concrètement, ces chaînes impliquent des transferts d’électrons lors d’une série de réactions d’oxydoréduction. Elles impliquent aussi des transfert de protons (ou d’autres cations) à travers une membrane.

Il existe différents types de CTE dans la nature. Chacun s’adapte à une forme de vie et au métabolisme énergétique sur lequel elle repose. Nos mitochondries contiennent une CTE liée à notre métabolisme énergétique hétérotrophe (tel que celui de la plupart des animaux). En revanche, les plantes – qui sont autotrophes – ont une CTE complètement différente, liée au processus de photosynthèse. De même, les micro-organismes utilisent d’autres formes de CTE liées à leurs propres métabolismes.

Malgré ces différences, toutes les CTE visent à fournir l’énergie nécessaire à la phosphorylation de l’adénosine diphosphate (ADP) en adénosine triphosphate (ATP). Cela se fait via un complexe protéique enzymatique appelé ATP synthase. Les chercheurs soulignent que l’ATP synthase est omniprésente dans l’arbre de la vie. Son histoire évolutive est bien antérieure au dernier ancêtre commun universel (qu’on appelle communément LUCA pour Last Universal Common Ancestor).

Une cible de choix pour la recherche sur l’origine de la vie
Certaines preuves issues de l’approche descendante suggèrent que ce type de « stratégie métabolique » était déjà utilisé par les toutes premières formes de vie. De plus, les scientifiques ont identifié plusieurs caractéristiques communes à divers CTE. Ceci suggère qu’au moins certains composants peuvent avoir été mutuellement hérités d’anciens ancêtres communs.

« Les caractéristiques les plus fondamentales de la biologie, à savoir le fait que les organismes se composent de cellules, qu’ils transmettent des informations génétiques par l’intermédiaire de l’ADN et qu’ils utilisent des enzymes protéiques pour leur métabolisme, sont toutes apparues à la suite de processus spécifiques au tout début de l’histoire de l’évolution », explique Aaron Goldman dans un communiqué.

Des preuves issues de l’approche ascendante indiquent par ailleurs que la chimie de type CTE pourrait avoir été facilitée par les minéraux et l’eau des océans de la Terre primitive, certains composants des CTE remontant à une époque antérieure au LUCA. « Des expériences récentes ont montré que certains aspects des CTE modernes peuvent être reproduits par des minéraux, des protocellules ou des cofacteurs organiques en l’absence de protéines biologiques », souligne l’équipe.

Les CTE apparaissent donc comme des cibles de choix pour la recherche sur l’origine et l’évolution précoce de la vie. Le but est maintenant de comprendre comment les systèmes biologiques les plus élémentaires ont pris forme pour la première fois. Pour cela, on combine les recherches descendantes et ascendantes. Ceci permettra de mieux comprendre le métabolisme énergétique ancien, l’origine de la vie de manière plus générale. « En outre, on comprendra aussi ce qu’est réellement la vie en premier lieu. Nous pourrions ensuite savoir comment la rechercher au-delà de la Terre », conclut le professeur Goldman.