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Comment et où les premières formes de vie sont-elles apparues ? Telles sont les questions centrales des recherches menées à l'Institut d'évolution moléculaire de l'Université Heinrich-Heine de Düsseldorf (HHU). Dans une nouvelle publication de Science Advances, une équipe internationale dirigée par des biologistes de Düsseldorf dévoile des découvertes inédites sur le réseau de réactions chimiques utilisé par les toutes premières cellules pour fabriquer les éléments constitutifs de la vie, ainsi que sur les sources d'énergie nécessaires à ces réactions.

Ils ont retracé l'origine des enzymes lors de la divergence initiale de la vie en bactéries et archées et ont mis en évidence deux origines indépendantes pour les cellules libres.

Si nous pouvions remonter 4 milliards d'années en arrière et observer l'apparition des premières cellules sur Terre, que verrions-nous ? « Nous observerions l'émergence de deux types de cellules très différents : des bactéries et des archées pionnières, faisant leurs premières tentatives de vie hors du cadre d'une source hydrothermale », explique Natalia Mrnjavac, biologiste à l'Université de Düsseldorf et auteure principale de la nouvelle publication.

Dans cet article, Mrnjavac et une équipe internationale de scientifiques présentent des analyses de génomes, de structures protéiques et de réactions chimiques qui explorent les premières phases de l'évolution microbienne, avant même l'apparition des cellules libres.

« Ces comparaisons nous offrent un éclairage inédit sur la phase de l'évolution où le métabolisme enzymatique émergeait de réactions spontanées catalysées par des métaux présents dans la croûte terrestre », explique William Martin, biologiste à Düsseldorf et co-auteur principal de l'étude.

Métabolisme des premières cellules : les composés de départ sont représentés à gauche ; ils sont transformés par le métabolisme en éléments constitutifs de la vie. Les 420 réactions enzymatiques sont indiquées par des cercles, les métabolites chimiques par des losanges, et des lignes relient les réactions ayant des métabolites communs. Les cercles en magenta indiquent des réactions qui auraient pu être catalysées par des composés inorganiques présents dans l'environnement où le métabolisme des premières cellules est apparu. Crédit : HHU/Nadja Hoffmann

Le métabolisme avant les enzymes modernes

L'approche de l'équipe diffère des précédentes études sur l'évolution primitive. Elle examine l'ensemble des réactions chimiques utilisées par les cellules pour synthétiser les éléments constitutifs de la vie (acides aminés, bases d'ARN et vitamines) à partir de composés présents sur la Terre primitive : l'hydrogène, l'ammoniac et le CO₂. Cet ensemble de 420 réactions chimiques est appelé métabolisme. Ces réactions chimiques sont aussi universellement conservées que le code génétique.

Martin explique : « La surprise réside dans le fait que les enzymes qui catalysent ces réactions ne sont pas conservées malgré la barrière évolutive qui sépare les bactéries et les archées. Nous avons découvert que le dernier ancêtre universel de toutes les cellules, LUCA, ne possédait des enzymes que pour environ la moitié des réactions du métabolisme. L'autre moitié était catalysée par des métaux présents dans l'environnement où LUCA est apparu. »

« Les métaux présents naturellement dans les sources hydrothermales peuvent remplacer un nombre étonnamment élevé d'enzymes dans le métabolisme », explique Harun Tüysüz, chimiste inorganique à l'Institut Max-Planck de recherche sur le charbon et à l'Institut des matériaux IMDEA de Madrid, et co-auteur de l'étude.

« Plus nous examinons ce phénomène de près, plus il nous apparaît clairement que l'évolution biochimique primitive était un système hybride de catalyseurs enzymatiques et métalliques », déclare Joseph Moran de l'Université d'Ottawa, au Canada, un expert international dans l'utilisation des métaux pour catalyser les réactions métaboliques, en remplacement des enzymes et des cofacteurs.

Quatre étapes de la catalyse primitive

Une avancée majeure de l'étude a été la reconstitution par l'équipe de quatre phases de l'évolution primitive de la catalyse : une phase où la catalyse était exclusivement métallique, une phase hybride métal-enzyme chez LUCA, suivie d'une évolution divergente vers les ancêtres des lignées bactériennes et archéennes. Dans ces lignées, de nouvelles enzymes sont apparues, remplaçant les catalyseurs inorganiques fournis par l'environnement où le métabolisme a émergé.

« On observe des cas où les ancêtres des bactéries et des archées ont développé indépendamment des enzymes structurellement distinctes pour catalyser la même réaction métabolique essentielle », explique Mrnjavac. « De telles inventions parallèles pourraient avoir ouvert la voie à l'émergence indépendante de bactéries et d'archées libres. »

Une source d'énergie antérieure à l'ATP

D'où provenait l'énergie nécessaire à ces réactions ? Aujourd'hui, l'énergie du métabolisme se présente principalement sous forme d'ATP, mais l'ATP est une molécule complexe, synthétisée par des enzymes, et non un composé naturellement présent dans les sources hydrothermales.

« Nous avons identifié une nouvelle source d'énergie à l'origine du métabolisme », déclare Manon Schlikker, membre de l'équipe de Düsseldorf. Parmi les métaux naturellement présents dans les sources hydrothermales figure le palladium, un excellent catalyseur connu et utilisé par les chimistes depuis un siècle.

« Lorsque nous faisons réagir le phosphite, une forme de phosphore naturellement présente dans les sources hydrothermales, nous obtenons… »

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REQUME

Deux origines de la vie : les cellules libres pourraient avoir émergé à deux reprises lors de la divergence des bactéries et des archées.

Des analyses métaboliques comparatives suggèrent que LUCA utilisait des enzymes pour environ la moitié des réactions biosynthétiques fondamentales, les métaux environnementaux catalysant le reste. Les ancêtres bactériens et archéens ont développé indépendamment des enzymes distinctes pour des réactions clés, permettant potentiellement des transitions séparées vers les cellules libres. La chimie du phosphite-palladium pourrait avoir fourni l'énergie nécessaire à la phosphorylation de l'ATP.

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Commentaires

Bien que je ne sois pas  biologiste  l article a attiré mon attention  sur un ppoint  : le '' démarrage  ''  de la  paléo strure  des premires   formes de vie  grace a l ' ADN  et à l'ARN    reste encore  basiquement  mysterieux  !

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Rien d etonnant a cela  les decouvertes  de ADN/ARN   sont récentes :Quand l'ADN a été découvert ?

L'ADN a été i suspecté pour la première fois en 1869 par le médecin suisse Friedrich Miescher, qui l'a nommé « nucléine ». Sa célèbre structure en double hélice a en fait  été mise en évidence le 25 avril 1953 par James Watson et Francis Crick, en s'appuyant sur les travaux de Rosalind Franklin. XXXXXXXXXXX

Et pour l 'ARN  c est encore plus récent !

Qui a inventé l'ARN messager ?

L'ARN messager n'a pas été « inventé » car c'est une molécule naturelle. Il a été découvert en 1961 par des chercheurs français et américain (François Jacob, Jacques Monod, François Gros et Sydney Brenner). Plus tard, la biochimiste Katalin Karikó et le médecin Drew Weissman ont rendu son usage thérapeutique possible, ce qui leur a valu le prix Nobel en 2023.