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Comment le premier organisme auto-répliquant a-t-il vu le jour ?


Quand les gens essaient d'expliquer l'évolution, ils me disent que l'évolution est un résultat cumulatif de mutations et de sections naturelles des individus les plus supérieurs d'une espèce particulière. Je pense que je suis assez convaincu par cette explication.

Mais quand j'y pense, tous supposent qu'il existait un organisme, aussi simple soit-il, capable de s'auto-répliquer et parfois de muter. Comment un tel organisme est-il né ? Quelqu'un peut-il expliquer cela?

Une réponse que j'ai trouvée sur Reddit ne m'a pas vraiment convaincu.


L'évolution ou (comme Darwin l'appelait) "la descente avec modification" est une théorie qui explique l'origine de l'espèce PAS l'origine de la vie. Comment est née la première vie complètement hors de propos à la théorie de l'évolution. Ce que l'évolution explique, c'est comment et pourquoi nous avons une telle variété de vie sur terre, toutes descendant du même organisme.

Ce que vous demandez n'est pas une théorie de "l'évolution" mais plutôt une théorie de "l'abiogenèse". Bien qu'il existe de nombreuses hypothèses intéressantes sur la façon dont l'abiogenèse s'est produite (par exemple, le monde de l'ARN, la théorie du "métabolisme d'abord", etc.), le fait est que nous ne savons tout simplement pas encore comment la vie est apparue pour la première fois. Ce que nous savons, c'est que la vie est apparue pour la première fois il y a entre 3,5 et 3,9 milliards d'années. C'est il y a très longtemps par rapport à de nombreux autres événements importants de l'histoire naturelle (même l'explosion cambrienne où les phylums animaux modernes ont évolué il y a seulement un demi-milliard d'années), et il ne devrait donc pas être surprenant que ce soit un problème difficile.


Nous ne savons pas comment les molécules auto-répliquantes sont apparues pour la première fois (et nous ne le saurons probablement jamais exactement), mais la Terre est grande et avait 500 millions d'années (c'est-à-dire l'échelle de temps prébiotique de la Terre) pour expérimenter en chimie organique. L'interface terre-mer (comme les bassins de marée) est un bon site candidat car ce sont des zones où l'on peut trouver de fortes concentrations de produits organiques.

Dans ce contexte, les chercheurs se sont penchés sur les molécules auto-réplicables.

Par exemple, un laboratoire de Cambridge, au Royaume-Uni, a mis au point le tC19Z.

tC19Z est le nom d'une enzyme à ARN qui agit comme une molécule auto-répliquante. Il peut copier des morceaux d'ARN presque 50 % aussi longtemps que lui-même. Il peut également faire des copies d'autres enzymes à ARN. Cette molécule n'est pas "vivante" elle-même, mais démontre clairement à quel point une plus grande complexité peut survenir.


Ils nous apprennent en Physique que l'entropie d'un système isolé est toujours croissante ou du moins constante. Alors comment un organisme peut-il naître dans ces conditions ?

Le soleil envoie de l'énergie à la Terre, permettant une diminution de l'entropie sur Terre au détriment de l'entropie du soleil.

Mais quand j'y pense, tous supposent qu'il existait un organisme, aussi simple soit-il, capable de s'auto-répliquer et parfois de muter. Comment un tel organisme est-il né ? Quelqu'un peut-il expliquer cela?

Cet organisme dont vous parlez n'est qu'une molécule qui se copie. Je ne comprends pas exactement comment cela s'est produit, mais il n'est pas difficile d'imaginer la possibilité. Une vaste planète avec des molécules volant partout et baignée de lumière ultraviolette et si une molécule acquiert quelque part la caractéristique de se copier, elle commencera à croître de manière exponentielle et se répandra rapidement dans le monde entier.


C'est une question extrêmement intéressante et extrêmement fondamentale, en effet, et jusqu'à présent, les biologistes n'ont pas réussi à trouver une réponse satisfaisante.

Nous savons que toutes les pièces sont là, nous ne savons tout simplement pas comment elles ont été arrangées, ni lesquelles vont où.

La question est essentiellement composée de trois sous-questions :

  1. Comment sont nés les éléments fondamentaux de la vie ?
  2. Comment sont nées les premières molécules auto-réplicables ?
  3. Comment sont nées les membranes cellulaires ?

La réponse prend généralement la forme de « Sur la Terre primordiale, une petite sélection des milliards de composés organiques générés lorsque la lumière UV frappe un gâchis de dioxyde de carbone, d'azote et d'eau a été capturé dans un bassin de marée où la concentration et la mousse ont conduit au hasard. produisant des molécules auto-répliquantes dans des proto-cellules."

Cette réponse, bien que presque certainement vraie, est aussi incroyablement insatisfaisante, car tout ce qu'elle nous dit est ce que la logique déductive nous a déjà appris, presque intuitivement.

Soit dit en passant, le fait que tout cela se produise avec une probabilité d'un million contre un n'est pas un problème : la Terre est grande, et le laps de temps pour que cela se produise est de l'ordre de centaines de millions d'années : tout ce qui peut arriver une fois par année d'un million à un coup se produirait probablement des centaines de fois dans ce laps de temps.

Dans tous les cas, quand il s'agit d'évolution, ou de la théorie de l'évolution de Darwin, ou de toute autre théorie de l'évolution, tout cela n'a aucune importance.

L'évolution est quelque chose qui se produit dans tout système suffisamment complexe (ouvert), en supposant qu'il a la capacité de changer du tout.

On l'observe le plus facilement chez les organismes vivants, car ils sont à la bonne échelle et incroyablement divers, mais cela se produit à toutes les échelles de l'univers.

En fait, le moyen le plus simple d'expliquer l'origine de la vie est de continuer à compter à rebours lorsque vous atteignez le dernier ancêtre commun (de toute la vie sur Terre), et de proposer des modèles expliquant comment cette proto-bactérie pourrait être encore plus simple, jusqu'à ce que vous reste avec CO₂, N₂ et H₂O, et d'autres molécules simples.

À cette extrémité du spectre, il est bien compris que, par ex. H₂O "évolue" à partir de H₂ et O₂, car H₂O a une qualité qui le rend plus "en forme" que l'un ou l'autre de ses composants, la stabilité chimique.

De plus, H2 "évolue" à partir d'hydrogène libre par un mécanisme similaire, et l'hydrogène libre "évolue" à partir de protons et d'électrons, car il a la propriété d'être électriquement neutre, ce qui est également une propriété souhaitable.

Bien sûr, au niveau des protons et des électrons, les choses deviennent un peu boueuses, et l'évolution se décompose en quelque sorte comme méthode pour expliquer comment les choses se produisent.

Éditer: Pour référence : Modèles actuels d'abiogenèse sur Wikipedia.


Alors que beaucoup désignent l'ARN, ou une variante de celui-ci, comme étant la première molécule de « vie », très peu de gens savent d'où il vient. Certains suggèrent qu'il est venu de l'espace parce qu'il n'est pas certain que le matériau des squelettes sucre-phosphate ait pu se développer sur Terre et que ces matériaux se soient peut-être retrouvés ici via des météorites. Il existe plusieurs hypothèses sur la façon dont un environnement terrestre ancien a pu favoriser les propriétés de ces molécules, mais il est difficile de déterminer ce qui s'est exactement passé.

Quelque part dans cet article de Wikipédia sur l'abiogenèse se trouve la mention du rôle des évents en eaux profondes. Les évents sous-marins et les courants qui les entourent ont essentiellement facilité une réaction PCR. Certains des premiers ADN émergents, peut-être avec de l'ARN et des nucléotides libres flottant, auraient pu tirer parti d'un tel environnement pour la réplication et par simple nombre (et par chance) sont entrés en relation symbiotique avec d'autres molécules pour former les premières structures cellulaires.


Si vous êtes intéressé par cette question, je vous recommande fortement de regarder le travail de Jack Szostak - lauréat du prix Nobel à Harvard qui fait actuellement certains des meilleurs travaux dans ce domaine. Son travail est fondé sur de bonnes expériences qui montrent comment l'abiogenèse pourrait arrivé.


Je pense que ça a commencé comme ça :

Première étape:

Les produits chimiques comme Na, Cl, O₂, O₃, CO₂, CO, HCN et H₂SO₄ réagissent pour former de petites molécules.

Deuxième étape:

Ensuite, ces petites molécules réagissent pour former des macromolécules.

Troisième étape :

L'ADN, étant le plus stable, a été le premier à se répliquer. Une membrane a finalement enveloppé cela et a formé le noyau

Quatrième étape :

Via l'endosymbiose, il enveloppe les mitochondries dans une membrane externe

Cinquième étape :

La cellule commence à former une membrane et des protéines pour tous ses organites. C'est maintenant une cellule eucaryote.

C'est l'hypothèse du monde de l'ADN.

Étant donné que l'ADN peut être simple, double, triple ou quadruple brin dans les organismes (ce serait respectivement l'ADNsb, l'ADNdb, l'ADNtb et l'ADNqs), il peut faire bien plus que simplement coder des protéines ou un ARNr ou un ARNt.

A l'état simple brin, il peut agir comme une enzyme formant des désoxyribozymes.

Dans les états triple et quadruple brin, il peut agir comme inhibiteur sans avoir besoin d'une autre protéine ou d'un groupe méthyle.


ELI5 : Comment est né le premier organisme unicellulaire ? Toute vie est-elle issue de cet organisme ?

Le premier réplicateur n'était peut-être pas une cellule entière. Il suffisait que ce soit quelque chose capable de se répliquer. EDIT : Nous ne savons pas comment cela a commencé. (Encore).

On pense généralement que toute la vie sur Terre est issue du premier organisme vivant sur Terre, oui. Il y a un débat sur la possibilité que les premiers réplicateurs se soient développés ailleurs que sur Terre et se soient propagés ici (par des météores ou autres). Ce n'est surtout une préoccupation que si nous voulons savoir si des extraterrestres hypothétiques sur d'autres planètes sont les descendants de certains réplicateurs originaux, ou si la vie est apparue indépendamment sur plusieurs planètes, ou quoi. Mais on pense que la vie SUR TERRE est issue de la ou des premières cellules sur Terre.

Le carbone est un atome très répandu sur Terre, et il a l'étonnante capacité de se lier à d'autres atomes, formant des molécules très complexes. Cette capacité du carbone permet à toutes les formes de vie connues, c'est pourquoi nous sommes appelés "formes de vie basées sur le carbone".

Dans l'atmosphère de la Terre primitive, des molécules appelées monomères se sont formées, qui ont la capacité de se fixer à d'autres molécules et de former des composés organiques. Ces monomères se sont accumulés à la surface de l'océan et ont été attirés vers le rivage par les vagues, où ils étaient fortement concentrés en écume de mer.

Avez-vous déjà remarqué l'écume désagréable sur la plage, poussée de plus en plus loin sur le sable par les vagues ? La raison pour laquelle c'est si méchant est que les vagues forcent un tas de merde dans l'océan où elles se coincent dans le sable. Au début de la Terre, cette merde était principalement constituée de monomères de l'atmosphère et ils s'accumulaient tous dans cette mousse.

Avec une concentration aussi élevée, de nombreuses molécules organiques se sont formées et collées ensemble avec toutes sortes de choses à proximité. Finalement, la vie est née par pur hasard de cette soupe de molécules organiques.

Nous ne savons pas. Il n'y a pas de théorie pour l'expliquer. Il existe diverses hypothèses à ce sujet mais aucune n'est considérée comme aussi bien établie et elles ont beaucoup de trous.

On croit fermement que toute vie sur terre provient d'un ancêtre commun. D'une part, il existe de nombreuses similitudes entre les cellules, l'ADN, l'ARN et les protéines de tous les différents types d'organismes. En particulier, le code pour transformer les informations de l'ARN en protéines est à la fois très complexe et presque identique parmi toutes les formes de vie connues, il est donc probable qu'il ne se serait pas produit de cette manière exacte indépendamment plusieurs fois - cela s'est probablement produit une fois et a ensuite évolué en une vie différente. formes à partir de là. Les scientifiques pensent que les bactéries ont évolué en premier, puis les premières non-bactéries unicellulaires simples comme les amibes et les algues, et seulement beaucoup plus tard les animaux et les plantes multicellulaires. Certains organismes unicellulaires forment de grandes colonies de cette même forme de vie. La théorie de l'évolution de la vie multicellulaire à partir de la vie unicellulaire est qu'au fil du temps, différentes parties d'une colonie d'organismes unicellulaires se sont spécialisées pour remplir différentes fonctions pour la colonie, et se sont finalement reproduites de cette façon en exécutant une fonction pour toute la colonie à la place. d'être une forme de vie indépendante.

Comment la vie est-elle apparue est une question beaucoup plus difficile, et les biologistes n'en sont toujours pas sûrs. L'expérience Miller-Urey a montré que la foudre et les minéraux que l'on croyait communs dans l'océan au début de la Terre auraient pu produire des molécules organiques de base comme des sucres, des acides aminés et des protéines. La question est de savoir comment passer de cela à une cellule auto-répliquante. Si vous considérez qu'il a fallu des centaines de millions d'années pour que la vie apparaisse sur terre, à un moment donné, suffisamment de ces molécules se sont réunies pour former quelque chose comme de l'ARN, puis cela a produit une cellule capable de produire des protéines et de dupliquer son ARN.


Comment fonctionne l'évolution

Pour que les principes de mutation et de sélection naturelle dans la théorie de l'évolution fonctionnent, il doit y avoir des êtres vivants sur lesquels ils peuvent travailler. La vie doit exister avant de pouvoir commencer à se diversifier. La vie devait venir de quelque part, et la théorie de l'évolution propose qu'elle soit née spontanément des produits chimiques inertes de la planète Terre il y a peut-être 4 milliards d'années.

La vie pourrait-elle surgir spontanément ? Si vous lisez Comment les cellules fonctionnent, vous pouvez voir que même une cellule primitive comme une bactérie E. coli - l'une des formes de vie les plus simples qui existent aujourd'hui - est étonnamment complexe. Suivant le modèle E. coli, une cellule devrait contenir au minimum :

  • Une paroi cellulaire quelconque pour contenir la cellule
  • Un plan génétique pour la cellule (sous forme d'ADN)
  • Une enzyme capable de copier des informations à partir du modèle génétique pour fabriquer de nouvelles protéines et enzymes
  • Une enzyme capable de fabriquer de nouvelles enzymes, ainsi que tous les éléments constitutifs de ces enzymes
  • Une enzyme qui peut construire des parois cellulaires
  • Une enzyme capable de copier le matériel génétique en vue de la division cellulaire (reproduction)
  • Une enzyme ou des enzymes capables de s'occuper de toutes les autres opérations de division d'une cellule en deux pour mettre en œuvre la reproduction (par exemple, quelque chose doit séparer la deuxième copie du matériel génétique de la première, puis la paroi cellulaire doit diviser et sceller dans les deux nouvelles cellules.)
  • Enzymes capables de fabriquer des molécules énergétiques pour alimenter toutes les enzymes mentionnées précédemment

De toute évidence, la cellule E. coli elle-même est le produit de milliards d'années d'évolution, elle est donc complexe et intriquée - beaucoup plus complexe que les premières cellules vivantes. Même ainsi, les premières cellules vivantes devaient posséder :

  • Une paroi cellulaire
  • La capacité de maintenir et d'étendre la paroi cellulaire (croissance)
  • La capacité de traiter les « aliments » (autres molécules flottant à l'extérieur de la cellule) pour créer de l'énergie
  • La capacité de se diviser pour se reproduire

Sinon, ce n'est pas vraiment une cellule et ce n'est pas vraiment vivant. Pour essayer d'imaginer une cellule primordiale avec ces capacités se créant spontanément, il est utile de considérer quelques hypothèses simplificatrices. Par exemple:

  • Peut-être que la molécule d'énergie d'origine était très différente du mécanisme trouvé dans les cellules vivantes aujourd'hui, et que les molécules d'énergie étaient abondantes et flottant librement dans l'environnement. Par conséquent, la cellule d'origine n'aurait pas eu à les fabriquer.
  • Peut-être que la composition chimique de la Terre était propice à la production spontanée de chaînes protéiques, de sorte que les océans étaient remplis d'un nombre inimaginable de chaînes aléatoires et d'enzymes.
  • Peut-être que les premières parois cellulaires formaient naturellement des sphères lipidiques, et ces sphères emprisonnaient au hasard différentes combinaisons de produits chimiques.
  • Peut-être que le premier modèle génétique était autre chose que l'ADN.

Ces exemples simplifient les exigences pour la « cellule d'origine », mais c'est encore un long chemin vers la génération spontanée de la vie. Peut-être que les premières cellules vivantes étaient complètement différentes de ce que nous voyons aujourd'hui, et personne n'a encore imaginé à quoi elles auraient pu ressembler. En termes généraux, la vie ne peut provenir que de l'un des deux endroits possibles :

  • Création spontanée - Des processus chimiques aléatoires ont créé la première cellule vivante.
  • Création surnaturelle - Dieu ou une autre puissance surnaturelle a créé la première cellule vivante.

Et peu importe que des extraterrestres ou des météorites aient amené la première cellule vivante sur terre, car les extraterrestres seraient apparus soit par création spontanée, soit par création surnaturelle à un moment donné – quelque chose devait créer les premières cellules extraterrestres.

Très probablement, il faudra de nombreuses années avant que la recherche puisse répondre complètement à l'une des trois questions mentionnées ici. Étant donné que l'ADN n'a été découvert que dans les années 1950, la recherche sur cette molécule compliquée en est encore à ses balbutiements et nous avons beaucoup à apprendre.


Comment le premier organisme auto-répliquant a-t-il vu le jour ? - La biologie

Pratiquement tous les biologistes conviennent maintenant que les cellules bactériennes ne peuvent pas se former à partir de produits chimiques non vivants en une seule étape. Si la vie provient de produits chimiques non vivants, il doit y avoir des formes intermédiaires, la « vie précellulaire ». Parmi les différentes théories de la vie précellulaire, le principal concurrent est le monde de l'ARN.

L'ARN a la capacité d'agir à la fois comme des gènes et des enzymes. Cette propriété pourrait offrir un moyen de contourner le problème « de la poule et de l'œuf ». (Les gènes ont besoin d'enzymes, les enzymes ont besoin de gènes.) De plus, l'ARN peut être transcrit en ADN, à l'inverse du processus normal de transcription. Ces faits sont des raisons de considérer que le monde de l'ARN pourrait être la voie originale vers les cellules. James Watson loue avec enthousiasme Sir Francis Crick pour avoir suggéré cette possibilité (1) :

Il était prémonitoire de Crick de deviner que l'ARN pouvait agir comme une enzyme, car cela n'était pas connu avec certitude jusqu'à ce que cela soit prouvé dans les années 1980 par le chercheur lauréat du prix Nobel Thomas R. Cech (2) et d'autres. La découverte d'enzymes à ARN a lancé une série de nouvelles théories qui sont toujours en cours. Le terme « monde de l'ARN » a été utilisé pour la première fois dans un article de 1986 du biologiste moléculaire de Harvard Walter Gilbert (3) :

La première étape de l'évolution passe donc par des molécules d'ARN réalisant les activités catalytiques nécessaires pour s'assembler à partir d'une soupe de nucléotides. Les molécules d'ARN évoluent selon des modèles d'auto-réplication, utilisant la recombinaison et la mutation pour explorer de nouvelles niches. . ils développent alors toute une gamme d'activités enzymatiques. À l'étape suivante, les molécules d'ARN ont commencé à synthétiser des protéines, d'abord en développant des molécules adaptatrices d'ARN capables de se lier aux acides aminés activés, puis en les organisant selon une matrice d'ARN en utilisant d'autres molécules d'ARN telles que le noyau d'ARN du ribosome. Ce processus produirait les premières protéines, qui seraient simplement de meilleures enzymes que leurs homologues à ARN. . Ces enzymes protéiques sont . constitué de mini-éléments de structure.

Enfin, l'ADN est apparu sur la scène, le détenteur ultime de l'information copiée à partir des molécules d'ARN génétiques par transcription inverse. . L'ARN est alors relégué au rôle intermédiaire qu'il n'a plus aujourd'hui au centre de la scène, déplacé par l'ADN et les enzymes protéiques les plus efficaces.

Il y a beaucoup à apprendre sur l'ARN, et des recherches comme celle-ci sont la façon dont nous l'apprenons. Mais ces découvertes et d'autres similaires, obtenues dans le cadre d'expériences hautement orchestrées qui peuvent commencer avec de l'ARN produit biologiquement, sont très loin de prouver que le monde de l'ARN est la voie entre la non-vie et la vie. Dans la nature, loin du laboratoire stérilisé, il est peu probable que des brins d'ARN non contaminés de toute taille se forment en premier lieu. ". La synthèse directe de nucléotides à partir de précurseurs prébiotiques avec un rendement raisonnable et non accompagnée de plus grandes quantités de molécules non apparentées n'a pas pu être réalisée par des réactions chimiques actuellement connues" (5).

Au Salk Institute for Biological Studies, en 1994, Leslie Orgel observe : « Parce que la synthèse de nucléotides et la réplication de l'ARN dans des conditions prébiotiques plausibles se sont avérées si difficiles, les chimistes envisagent de plus en plus la possibilité que l'ARN n'ait pas été la première molécule autorépliquante. (9).

Apparemment, la NASA a également perdu son enthousiasme pour le monde de l'ARN. Dans le rapport final publié après "l'atelier d'astrobiologie" qui s'est tenu du 9 au 11 septembre 1996 au Ames Research Center, en Californie, nous lisons (10),

Autres théories

  • Quelques scientifiques affirment encore que l'ADN pourrait réussir à faire démarrer la vie (11). Mais même le brin d'ADN le plus court a besoin de protéines pour l'aider à se répliquer. C'est le problème de la poule et de l'œuf.
  • Il existe une école « les protéines d'abord ». Par exemple, Manfred Eigen de l'institut Max Planck en Allemagne déclare : « Il ne fait aucun doute que les protéines, qui se forment plus facilement, ont été les premières à apparaître » (11.5). Bien sûr, ces premières protéines doivent être beaucoup plus courtes que celles utilisées dans la vie aujourd'hui, en raison de la très faible probabilité d'en former de longues utiles à partir d'une soupe d'acides aminés.
  • Le physicien Freeman Dyson propose de résoudre le problème de la poule et de l'œuf avec une double origine, une pour le métabolisme (protéines) et une pour la réplication (brins de nucléotides) (12).
  • Dans Sept indices sur l'origine de la vie(13), A. G. Cairns-Smith dit que les cristaux d'argile auraient pu servir d'échafaudage sur lequel le premier génome court d'ADN ou d'ARN a été construit. Une nouvelle élaboration de cette idée a incité un écrivain à se demander : « Soupe ou crêpes primordiales ? » (14). Plus récemment encore, une autre tangente sur ce chemin conduit à la zéolithe (14,5).
  • Les biologistes Harold J. Morowitz (15), David Deamer (16) et d'autres (17) défendent une théorie qui pourrait être paraphrasée comme « les conteneurs d'abord ».
  • Jeffrey L. Bada de la Scripps Institution of Oceanography est d'avis minoritaire que la Terre primitive était gelée et pense que la vie précellulaire a commencé dans une « soupe froide » sous la glace (18, 19).
  • Les chimistes Claudia Huber et Günter Wächtershäuser affirment que la soupe à l'origine de la vie était en fait assez chaude, probablement à proximité de cheminées volcaniques sous-marines, où les sulfures de fer et de nickel pourraient catalyser certaines des réactions nécessaires (19.5-19.7).
  • L'astronome de Cornell Thomas Gold se demande si la vie n'aurait pas pris naissance dans un environnement chaud encore plus profond, dans la croûte terrestre (19.8).
  • Stuart Kauffman de l'Institut Santa Fe, dit, ". Chaque fois qu'une collection de molécules contient suffisamment de types différents de molécules, un métabolisme se cristallisera à partir du bouillon" (20).
  • Une autre idée est le "monde PNA". Parce que démarrer le monde de l'ARN est si difficile, il doit probablement y avoir un monde pré-ARN. Le PNA, ou acide nucléique peptidique, pourrait avoir certaines des propriétés nécessaires pour constituer ce monde (21). Ce serait pré-la vie précellulaire.
  • Des liens vers plusieurs centaines d'autres suggestions apparaissent sous Quoi de neuf, ci-dessous.

Le problème du temps

Passer d'une bactérie à l'homme est moins compliqué que de passer d'un mélange d'acides aminés à une bactérie. — Lynn Margulis (21.5)

La seule prémisse partagée par toutes les théories précellulaires est qu'il faudrait un temps extrêmement long avant que les premières cellules bactériennes n'évoluent. Si la vie précellulaire commençait d'une manière ou d'une autre, elle pourrait alors commencer à produire, par un processus précellulaire, des chaînes aléatoires de nucléotides et d'acides aminés, essayant de trouver un gène ou une protéine avec des avantages qui conduiraient à la vie bactérienne. Il n'y a aucune preuve dans la vie d'aujourd'hui de quoi que ce soit qui produit d'énormes quantités de nouvelles chaînes aléatoires de nucléotides ou d'acides aminés, dont certains sont avantageux. Mais si la vie précellulaire faisait cela, il faudrait beaucoup de temps pour créer des gènes ou des protéines utiles. Combien de temps faudrait-il ? Après avoir fait quelques hypothèses utiles, nous pouvons obtenir le rapport des protéines réelles et utiles à toutes les protéines aléatoires possibles jusqu'à quelque chose comme un sur 10^500 (dix à la puissance 500). Il faudrait donc, à moins d'une chance incroyable, quelque chose comme 10^500 essais pour probablement en trouver un. Imaginez que chaque quart de pouce cube d'océan dans le monde contienne dix milliards de ribosomes précellulaires. Imaginez que chaque ribosome produise des protéines à dix essais par minute (environ la vitesse à laquelle un ribosome fonctionnel dans une cellule bactérienne fabrique des protéines). Même alors, il faudrait environ 10 à 450 ans pour produire probablement une protéine utile. Mais la Terre s'est formée il y a seulement 4,6 x 10^9 ans. Le temps disponible pour ce processus hypothétique de création de protéines était peut-être de quelques centaines de millions ou

10^8 ans. Et maintenant, pour fabriquer une cellule, nous n'avons pas besoin d'une seule protéine, mais d'un minimum de plusieurs centaines.

Donc, même si nous permettons la vie précellulaire, il y a un problème pour passer de là aux protéines, aux gènes et aux cellules. La production aléatoire de protéines ne réussit pas comme explication. D'autres étapes intermédiaires, quelconques, doivent être imaginées. Nous pourrions appeler ces étapes la vie post-précellulaire. Par quelque moyen que ce soit, l'évolution de la vie à travers ces étapes devrait prendre beaucoup de temps.

Un défenseur du monde de l'ARN, Gerald Joyce, accorde 400 millions d'années pour "The Rise and Fall of the RNA World" (22) :

Mais d'autres chercheurs voient des preuves de cellules procaryotes au cours des 100 premiers millions d'années, peut-être même immédiatement. ". Des cellules réelles ont été trouvées dans les plus anciens sédiments non métamorphisés de la terre. " dit Gould dans Vie merveilleuse (23). Bada dit que les cyanobactéries pourraient n'avoir émergé que dix millions d'années après la première vie précellulaire (24). En novembre 1996, S. J. Mojzsis de l'institution Scripps d'océanographie et d'autres ont rapporté des preuves isotopiques que le métabolisme cellulaire était en cours il y a 3,8 milliards d'années (25). Avant même les recherches de Mojzsis et al., Francis Crick s'inquiétait du problème de temps. ". Les véritables archives fossiles suggèrent que notre forme actuelle de vie à base de protéines existait déjà il y a 3,6 milliards d'années. Cela laisse un temps étonnamment court pour démarrer la vie" (26). Un autre chercheur, le biochimiste de Yale Peter B. Moore, dit ceci à propos du problème du temps (27) :

Nous pouvons être certains d'une chose : le monde de l'ARN - s'il a jamais existé - a été de courte durée. La terre a vu le jour il y a environ 4,5 x 10^9 ans, et des preuves fossiles suggèrent que des organismes cellulaires ressemblant à des bactéries modernes existaient 3,6 x 10^9 ans avant le présent. Il y a même des indices que ces premiers organismes se sont engagés dans la photosynthèse, qui était probablement un processus dépendant des protéines à l'époque, comme aujourd'hui. Ainsi, il semble probable que les organismes dotés de métabolismes sophistiqués à base de protéines n'existaient que 0,9 x 10^9 ans après la naissance de la planète.

La "fenêtre d'opportunité" pour le monde de l'ARN était beaucoup plus courte que 0,9 x 10^9 ans. La surface de la terre était inhabitable au début en raison de la chaleur générée par le bombardement météorique et sa différenciation géologique. . Ainsi, l'intervalle dans lequel la biosphère aurait pu être dominée par des formes de vie à base d'ARN pourrait être inférieur à 100 millions d'années. Incidemment, lorsque l'on commence à penser dans ce sens, il faut considérer l'impensable, c'est-à-dire que la durée pendant laquelle les protéines à base d'ARN ont réellement envahi la terre pourrait être nulle.

Sommaire

  • Il n'y a aucun vestige ou trace de vie précellulaire nulle part aujourd'hui. Qu'il ait jamais existé est entièrement conjectural.
  • Bien que son émergence à partir de la matière non vivante soit difficile à concevoir, la vie précellulaire a dû apparaître presque immédiatement.
  • La vie précellulaire n'avait presque pas le temps d'évoluer vers les cellules bactériennes les plus simples.
  • La vie précellulaire n'a jamais été créée en laboratoire.
  • Malgré le monde de l'ARN, il n'y a pas de consensus sur le modèle de la vie précellulaire.

Nous avons dit que la recherche dans le monde de l'ARN est une industrie de taille moyenne. Cette recherche a démontré à quel point il serait extrêmement difficile pour des cellules vivantes de provenir par hasard de matière non vivante dans le temps disponible sur Terre. Cette démonstration est une contribution précieuse à la science. Des recherches supplémentaires seront également précieuses. Mais continuer à insister sur le fait que la vie peut émerger spontanément de produits chimiques non vivants face aux difficultés nouvellement comprises est déroutant. Cela rappelle les efforts persistants des alchimistes médiévaux pour transformer le plomb en or.

Il existe une autre explication scientifique à l'origine de la vie sur Terre. C'est que des cellules entières sont arrivées ici de l'espace. (La vie « en premier lieu » est une question distincte, traitée ailleurs sur ce site Web.)

Quoi de neuf

Les archives fossiles indiquent qu'il existait des calculatrices portables avec au moins 240 kilo-octets de programmes stockés presque aussitôt que la terre s'est refroidie. Les calculatrices portables sont peut-être nées lorsque des conditions spéciales ont permis la formation de puces de silicium et de circuits imprimés (gènes primitifs). La chaleur, peut-être générée par la radioactivité, les volcans ou les impacts de météores, a fait fondre du sable pour former un flocon de silicium. Des éclaboussures aléatoires de métal en fusion ont provoqué la formation de filaments métalliques sur le flocon. Film huileux sur les étangs séché dans la matière plastique dure nécessaire à la coquille.

La foudre a fourni la première source d'énergie électrique. Des prototypes en eau de mer, juste à la bonne distance de la frappe, ont reçu une tension suffisante sans être détruits. Les batteries (permettant un métabolisme indépendant) sont venues plus tard. Les premières batteries étaient des batteries fer-acide, formées dans des poches de boue. Les batteries au lithium étaient un développement très tardif.


Comment le premier organisme auto-répliquant a-t-il vu le jour ? - La biologie

D'où vient la Vie ?

L'origine de la vie ou l'évolution prébiotique signifie la génération spontanée de la vie dans une « soupe primordiale » contenant de petites molécules organiques dans l'eau salée. On pense généralement qu'un tel processus n'est pas possible (ou réussi) dans les écosystèmes d'aujourd'hui, à moins qu'il ne soit entrepris dans des laboratoires contrôlés. Ce dernier attend la preuve expérimentale. Afin de comprendre la formation spontanée de la vie, une définition appropriée de la vie doit être à portée de main. Dérivé d'une analyse des organismes d'aujourd'hui, la vie est généralement définie au niveau cellulaire. Dans cette définition, les formes de vie les plus petites ou les plus simples sont les organismes unicellulaires qui comprennent les bactéries, les archées (les halophiles et les thermophiles vivent dans des environnements extrêmes) et les protozoaires (micro-organismes unicellulaires eucaryotes, par exemple la levure de boulanger, la paramécie ou les amibes). Toutes les formes de vie modernes partagent des mécanismes moléculaires fondamentaux, notamment la biosynthèse des protéines et l'utilisation de l'ADN et de l'ARN pour la reproduction et le métabolisme énergétique. Sur la base de ces observations, les théories sur l'origine de la vie tentent de trouver un mécanisme expliquant la formation d'un organisme unicellulaire primordial à l'origine de toute vie moderne. On pense que la cellule primordiale se forme grâce à un emballage bénéfique d'unités d'auto-réplication dans des particules lipidiques (liposomes ou vésicules ressemblant à des membranes cellulaires modernes). La question la plus pressante est de savoir dans quelle mesure les organismes modernes ressemblent à une cellule primordiale. La preuve de l'évolution prébiotique est obtenue en simulant et en reproduisant un tel événement qui s'est produit il y a environ 3,5 milliards d'années. Bien que des preuves biochimiques obtenues pour la première fois dans les années 1950 aient montré la génération spontanée d'acides aminés dans une réplique de la «soupe primordiale», la plupart des biologistes croient maintenant que les acides aminés qui sont les éléments constitutifs des protéines et des peptides, les outils essentiels d'aujourd'hui dans toutes les formes de vie, n'étaient pas importants à ce stade précoce et que les protéines et les enzymes étaient en effet précédées par des molécules de type ARN qui jouent toujours un rôle essentiel dans le métabolisme moderne, notamment le métabolisme énergétique, la catalyse enzymatique (par exemple la biosynthèse des protéines) et le traitement et le stockage de l'information génétique. L'ADN, cette merveille moléculaire moderne et modèle de vie, peut en effet avoir vu le jour après l'évolution des protéines en tant qu'enzymes.

Au cours des dernières années, l'analyse des roches trouvées dans les calottes glaciaires de l'Antarctique et provenant de Mars contient des microstructures compatibles avec les restes d'organismes martiens, car ces structures ressemblent tellement à des structures ou à des restes de bactéries sur Terre. L'interprétation de savoir si ces dépôts sont vraiment la preuve de la vie (ancienne) sur Mars est controversée mais d'un énorme intérêt pour les biologistes. La vie unicellulaire sur Mars, même si elle s'est éteinte aujourd'hui, corroborerait l'origine des théories de la vie. Prouvée ou non, la possibilité d'une future preuve est suffisante pour stimuler la recherche, y compris la construction de théories sur des bases spéculatives. Ce sont ces théories vaguement étayées par des preuves expérimentales (des preuves fossiles dans ce cas) qui repousseront l'imagination et la conception de protocoles expérimentaux pour explorer activement le sol et l'atmosphère martiens. Une note de prudence, même si une analyse future prouvait que la vie existait sur Mars, cela laisserait ouvertes les possibilités que la vie ait été importée de la Terre ou que la vie sur Terre soit originaire de Mars (ou d'un autre endroit). Quel que soit le résultat, la quête actuelle de prouver l'existence ancienne de la vie sur Mars donne au moins un excellent exemple de la façon dont les scientifiques travaillent et tirent des conclusions d'observations lorsque les événements ne peuvent pas être recréés en laboratoire dans des conditions contrôlées, comme c'est le cas dans l'étude de la évolution de la vie.


Contenu

L'un des défis de l'étude de l'abiogenèse est que le système de reproduction et de métabolisme utilisé par toute vie existante implique trois types distincts de macromolécules interdépendantes (ADN, ARN et protéine). Cela suggère que la vie n'aurait pas pu naître sous sa forme actuelle, ce qui a conduit les chercheurs à émettre l'hypothèse de mécanismes par lesquels le système actuel pourrait provenir d'un système précurseur plus simple. Le concept d'ARN en tant que molécule primordiale [2] peut être trouvé dans les articles de Francis Crick [12] et Leslie Orgel, [13] ainsi que dans le livre de Carl Woese de 1967 Le code génétique. [14] En 1962, le biologiste moléculaire Alexander Rich a avancé à peu près la même idée dans un article qu'il a contribué à un volume publié en l'honneur du physiologiste lauréat du prix Nobel Albert Szent-Györgyi. [15] Hans Kuhn en 1972 a exposé un processus possible par lequel le système génétique moderne pourrait être né d'un précurseur à base de nucléotides, ce qui a conduit Harold White en 1976 à observer que bon nombre des cofacteurs essentiels à la fonction enzymatique sont soit des nucléotides, soit des pourrait avoir été dérivé de nucléotides. Il a proposé un scénario dans lequel l'électrochimie critique des réactions enzymatiques aurait nécessité la rétention des fragments nucléotidiques spécifiques des enzymes à base d'ARN d'origine réalisant les réactions, tandis que les éléments structurels restants des enzymes étaient progressivement remplacés par des protéines, jusqu'à ce que tout ce qui reste des ARN originaux étaient ces cofacteurs nucléotidiques, "fossiles d'enzymes d'acide nucléique". [16] L'expression "RNA World" a été utilisée pour la première fois par le lauréat du prix Nobel Walter Gilbert en 1986, dans un commentaire sur la façon dont les observations récentes des propriétés catalytiques de diverses formes d'ARN correspondent à cette hypothèse. [17]

Les propriétés de l'ARN rendent l'idée de l'hypothèse du monde de l'ARN conceptuellement plausible, bien que son acceptation générale comme explication de l'origine de la vie nécessite des preuves supplémentaires. [15] L'ARN est connu pour former des catalyseurs efficaces et sa similitude avec l'ADN montre clairement sa capacité à stocker des informations. Les opinions diffèrent, cependant, quant à savoir si l'ARN a constitué le premier système autonome d'auto-réplication ou était un dérivé d'un système encore plus ancien. [2] Une version de l'hypothèse est qu'un type différent d'acide nucléique, appelé pré-ARN, a été le premier à émerger en tant que molécule auto-reproductrice, pour être remplacé par l'ARN seulement plus tard. D'autre part, la découverte en 2009 que les ribonucléotides pyrimidiques activés peuvent être synthétisés dans des conditions prébiotiques plausibles [18] suggère qu'il est prématuré d'écarter les scénarios ARN-first. [2] Suggestions pour « simple » pré-ARN les acides nucléiques ont inclus l'acide nucléique peptidique (PNA), l'acide nucléique thréose (TNA) ou l'acide nucléique glycol (GNA). [19] [20] Malgré leur simplicité structurelle et la possession de propriétés comparables à l'ARN, la génération chimiquement plausible d'acides nucléiques "plus simples" dans des conditions prébiotiques doit encore être démontrée. [21]

L'ARN en tant qu'enzyme Modifier

Les enzymes à ARN, ou ribozymes, se trouvent dans la vie basée sur l'ADN d'aujourd'hui et pourraient être des exemples de fossiles vivants. Les ribozymes jouent des rôles vitaux, comme celui du ribosome. La grande sous-unité du ribosome comprend un ARNr responsable de l'activité peptidyl transférase formatrice de liaison peptidique de la synthèse des protéines. De nombreuses autres activités de ribozyme existent, par exemple, le ribozyme en tête de marteau effectue un auto-clivage [22] et un ribozyme d'ARN polymérase peut synthétiser un court brin d'ARN à partir d'une matrice d'ARN amorcée. [23]

Parmi les propriétés enzymatiques importantes pour le début de la vie figurent :

Auto-réplication La capacité de s'auto-répliquer ou de synthétiser d'autres molécules d'ARN Des molécules d'ARN relativement courtes qui peuvent en synthétiser d'autres ont été artificiellement produites en laboratoire. Le plus court mesurait 165 bases de long, bien qu'il ait été estimé que seule une partie de la molécule était cruciale pour cette fonction. Une version, longue de 189 bases, avait un taux d'erreur de seulement 1,1% par nucléotide lors de la synthèse d'un brin d'ARN de 11 nucléotides à partir de brins matrices amorcés. [24] Ce ribozyme de 189 paires de bases pourrait polymériser une matrice d'au plus 14 nucléotides de longueur, ce qui est trop court pour l'auto-réplication, mais constitue une piste potentielle pour une enquête plus approfondie. La plus longue extension d'amorce réalisée par une ribozyme polymérase était de 20 bases. [25] En 2016, des chercheurs ont signalé l'utilisation de l'évolution in vitro pour améliorer considérablement l'activité et la généralité d'un ribozyme d'ARN polymérase en sélectionnant des variantes capables de synthétiser des molécules d'ARN fonctionnelles à partir d'une matrice d'ARN. Chaque ribozyme d'ARN polymérase a été conçu pour rester lié à son nouveau brin d'ARN synthétisé, ce qui a permis à l'équipe d'isoler des polymérases efficaces. Les ARN polymérases isolées ont été à nouveau utilisées pour un autre cycle d'évolution. Après plusieurs cycles d'évolution, ils ont obtenu un ribozyme d'ARN polymérase appelé 24-3 qui était capable de copier presque n'importe quel autre ARN, des petits catalyseurs aux longues enzymes à base d'ARN. Des ARN particuliers ont été amplifiés jusqu'à 10 000 fois, une première version d'ARN de la réaction en chaîne par polymérase (PCR). [26] Catalyse La capacité de catalyser des réactions chimiques simples, ce qui améliorerait la création de molécules constituant des éléments constitutifs des molécules d'ARN (c'est-à-dire un brin d'ARN qui faciliterait la création de plus de brins d'ARN). Des molécules d'ARN relativement courtes dotées de telles capacités ont été artificiellement formées en laboratoire. [27] [28] Une étude récente a montré que presque n'importe quel acide nucléique peut évoluer en une séquence catalytique sous une sélection appropriée. Par exemple, un fragment d'ADN de 50 nucléotides choisi arbitrairement codant pour le Bos taureau L'ARNm de l'albumine (bovin) a été soumis à une évolution en tube à essai pour dériver un ADN catalytique (Déoxyribozyme, également appelé DNAzyme) avec une activité de clivage de l'ARN. Après seulement quelques semaines, un DNAzyme avec une activité catalytique significative avait évolué.[29] En général, l'ADN est beaucoup plus inerte chimiquement que l'ARN et donc beaucoup plus résistant à l'obtention de propriétés catalytiques. Si l'évolution in vitro fonctionne pour l'ADN, cela se produira beaucoup plus facilement avec l'ARN. Ligature acide aminé-ARN La capacité de conjuguer un acide aminé à l'extrémité 3' d'un ARN afin d'utiliser ses groupes chimiques ou de fournir une chaîne latérale aliphatique à longue ramification. [30] Formation de liaison peptidique La capacité de catalyser la formation de liaisons peptidiques entre les acides aminés pour produire des peptides courts ou des protéines plus longues. Cela se fait dans les cellules modernes par les ribosomes, un complexe de plusieurs molécules d'ARN connues sous le nom d'ARNr avec de nombreuses protéines. On pense que les molécules d'ARNr sont responsables de son activité enzymatique, car aucun résidu d'acide aminé ne se trouve à moins de 18 du site actif de l'enzyme, [15] et, lorsque la majorité des résidus d'acide aminé dans le ribosome ont été rigoureusement éliminés, le ribosome résultant a conservé toute son activité peptidyl transférase, pleinement capable de catalyser la formation de liaisons peptidiques entre les acides aminés. [31] Une molécule d'ARN beaucoup plus courte a été synthétisée en laboratoire avec la capacité de former des liaisons peptidiques, et il a été suggéré que l'ARNr a évolué à partir d'une molécule similaire. [32] Il a également été suggéré que les acides aminés pourraient avoir été initialement impliqués dans les molécules d'ARN en tant que cofacteurs améliorant ou diversifiant leurs capacités enzymatiques, avant d'évoluer en peptides plus complexes. De même, il est suggéré que l'ARNt a évolué à partir de molécules d'ARN qui ont commencé à catalyser le transfert d'acides aminés. [33]

ARN dans le stockage d'informations Modifier

L'ARN est une molécule très similaire à l'ADN, avec seulement deux différences chimiques majeures (l'épine dorsale de l'ARN utilise du ribose au lieu du désoxyribose et ses bases nucléiques incluent l'uracile au lieu de la thymine). La structure globale de l'ARN et de l'ADN est extrêmement similaire : un brin d'ADN et un brin d'ARN peuvent se lier pour former une double structure hélicoïdale. Cela rend possible le stockage d'informations dans l'ARN d'une manière très similaire au stockage d'informations dans l'ADN. Cependant, l'ARN est moins stable, étant plus sujet à l'hydrolyse en raison de la présence d'un groupe hydroxyle à la position 2' du ribose.

Comparaison de la structure de l'ADN et de l'ARN Modifier

La principale différence entre l'ARN et l'ADN est la présence d'un groupe hydroxyle en position 2' du sucre ribose dans l'ARN (illustration, à droite). [15] Ce groupe rend la molécule moins stable parce que, lorsqu'il n'est pas contraint dans une double hélice, le 2' hydroxyle peut attaquer chimiquement la liaison phosphodiester adjacente pour cliver le squelette phosphodiester. Le groupe hydroxyle force également le ribose dans le C3'-endo conformation du sucre contrairement au C2'-endo conformation du sucre désoxyribose dans l'ADN. Cela force une double hélice d'ARN à passer d'une structure d'ADN-B à une structure ressemblant plus étroitement à l'ADN-A.

L'ARN utilise également un ensemble de bases différent de celui de l'ADN : l'adénine, la guanine, la cytosine et l'uracile, au lieu de l'adénine, la guanine, la cytosine et la thymine. Chimiquement, l'uracile est similaire à la thymine, ne différant que par un groupe méthyle, et sa production nécessite moins d'énergie. [34] En termes d'appariement de bases, cela n'a aucun effet. L'adénine se lie facilement à l'uracile ou à la thymine. L'uracile est, cependant, un produit des dommages à la cytosine qui rend l'ARN particulièrement sensible aux mutations qui peuvent remplacer un CG paire de bases avec un GU (oscillation) ou UA paire de bases.

On pense que l'ARN a précédé l'ADN, en raison de leur ordre dans les voies de biosynthèse. Les désoxyribonucléotides utilisés pour fabriquer l'ADN sont fabriqués à partir de ribonucléotides, les éléments constitutifs de l'ARN, en éliminant le groupe 2'-hydroxyle. En conséquence, une cellule doit avoir la capacité de fabriquer de l'ARN avant de pouvoir fabriquer de l'ADN.

Limitations du stockage d'informations dans l'ARN Modifier

Les propriétés chimiques de l'ARN rendent les grandes molécules d'ARN intrinsèquement fragiles, et elles peuvent facilement être décomposées en leurs nucléotides constitutifs par hydrolyse. [35] [36] Ces limitations ne rendent pas l'utilisation de l'ARN comme un système de stockage d'informations impossible, simplement énergivore (pour réparer ou remplacer les molécules d'ARN endommagées) et sujette à la mutation. Bien que cela le rende impropre à la vie actuelle « à ADN optimisé », il a peut-être été acceptable pour une vie plus primitive.

L'ARN comme régulateur Modifier

On a découvert que les riboswitches agissent comme des régulateurs de l'expression des gènes, en particulier chez les bactéries, mais aussi chez les plantes et les archées. Les riboswitches modifient leur structure secondaire en réponse à la liaison d'un métabolite. Ce changement de structure peut entraîner la formation ou la perturbation d'un terminateur, tronquant ou permettant respectivement la transcription. [37] Alternativement, les riboswitches peuvent lier ou obstruer la séquence Shine-Dalgarno, affectant la traduction. [38] Il a été suggéré que ceux-ci provenaient d'un monde basé sur l'ARN. [39] De plus, les thermomètres à ARN régulent l'expression des gènes en réponse aux changements de température. [40]

L'hypothèse du monde de l'ARN est étayée par la capacité de l'ARN à stocker, transmettre et dupliquer l'information génétique, comme le fait l'ADN, et à effectuer des réactions enzymatiques, comme les enzymes à base de protéines. Parce qu'il peut effectuer les types de tâches maintenant effectuées par les protéines et l'ADN, on pense que l'ARN était autrefois capable de soutenir une vie indépendante par lui-même. [15] Certains virus utilisent l'ARN comme matériel génétique, plutôt que l'ADN. [41] De plus, bien que les nucléotides n'aient pas été trouvés dans les expériences basées sur l'expérience de Miller-Urey, leur formation dans des conditions prébiotiques plausibles a été rapportée en 2009 [18] une base purique, l'adénine, est simplement un pentamère de cyanure d'hydrogène. Des expériences avec des ribozymes basiques, comme l'ARN du bactériophage Qβ, ont montré que de simples structures d'ARN à auto-réplication peuvent résister à des pressions sélectives même fortes (par exemple, des terminateurs de chaîne de chiralité opposée). [42]

Puisqu'il n'y avait pas de voies chimiques connues pour la synthèse abiogénique de nucléotides à partir des nucléobases pyrimidiques cytosine et uracile dans des conditions prébiotiques, certains pensent que les acides nucléiques ne contiennent pas ces nucléobases observées dans les acides nucléiques de la vie. [43] La cytosine nucléosidique a une demi-vie isolée de 19 jours à 100 °C (212 °F) et de 17 000 ans dans de l'eau glacée, ce que certains prétendent être trop court sur l'échelle de temps géologique pour l'accumulation. [44] D'autres se sont demandé si le ribose et d'autres sucres du squelette pouvaient être suffisamment stables pour être trouvés dans le matériel génétique d'origine, [45] et ont soulevé la question que toutes les molécules de ribose auraient dû être le même énantiomère, que n'importe quel nucléotide de la mauvaise chiralité agit comme un terminateur de chaîne. [46]

Les ribonucléosides de pyrimidine et leurs nucléotides respectifs ont été synthétisés de manière prébiotique par une séquence de réactions qui contournent les sucres libres et s'assemblent par étapes en incluant des chimies azotées et oxygénées. Dans une série de publications, John Sutherland et son équipe de la School of Chemistry de l'Université de Manchester ont démontré des voies à haut rendement vers les ribonucléotides de la cytidine et de l'uridine construits à partir de petits fragments à 2 et 3 carbones tels que le glycolaldéhyde, le glycéraldéhyde ou le glycéraldéhyde-3. -phosphate, cyanamide et cyanoacétylène. L'une des étapes de cette séquence permet l'isolement de la ribose aminooxazoline énantiomère si l'excès énantiomérique de glycéraldéhyde est de 60 % ou plus, ce qui peut présenter un intérêt pour l'homochiralité biologique. [47] Cela peut être considéré comme une étape de purification prébiotique, où ledit composé s'est spontanément cristallisé à partir d'un mélange des autres pentoses aminooxazolines. Les aminooxazolines peuvent réagir avec le cyanoacétylène d'une manière douce et très efficace, contrôlée par le phosphate inorganique, pour donner les ribonucléotides de la cytidine. La photoanomérisation avec la lumière UV permet une inversion autour du centre anomérique 1' pour donner la stéréochimie bêta correcte. Un problème avec cette chimie est la phosphorylation sélective de l'alpha-cytidine en position 2'. [48] ​​Cependant, en 2009, ils ont montré que les mêmes blocs de construction simples permettent d'accéder, via l'élaboration de nucléobases contrôlées par le phosphate, aux nucléotides 2',3'-cycliques de pyrimidine directement, qui sont connus pour être capables de se polymériser en ARN. [18] La chimiste organique Donna Blackmond a décrit cette découverte comme une "preuve solide" en faveur du monde de l'ARN. [49] Cependant, John Sutherland a déclaré que si les travaux de son équipe suggèrent que les acides nucléiques ont joué un rôle précoce et central dans l'origine de la vie, ils ne soutenaient pas nécessairement l'hypothèse du monde de l'ARN au sens strict, qu'il a décrite comme un " , arrangement hypothétique". [50]

L'article de 2009 du groupe Sutherland a également souligné la possibilité d'une photo-désinfection des phosphates pyrimidine-2',3'-cycliques. [18] Une faiblesse potentielle de ces voies est la génération de glycéraldéhyde énantioenrichi, ou son dérivé 3-phosphate (le glycéraldéhyde préfère exister sous forme de sa dihydroxyacétone céto tautomère). [ citation requise ]

Le 8 août 2011, un rapport, basé sur des études de la NASA avec des météorites trouvées sur Terre, a été publié, suggérant que des éléments constitutifs de l'ARN (adénine, guanine et molécules organiques apparentées) pourraient avoir été formés de manière extraterrestre dans l'espace. [51] [52] [53] En 2017, un modèle numérique suggère que le monde de l'ARN pourrait avoir émergé dans des étangs chauds sur la Terre primitive, et que les météorites étaient une source plausible et probable des éléments constitutifs de l'ARN (ribose et acides nucléiques ) à ces environnements. [54] Le 29 août 2012, des astronomes de l'Université de Copenhague ont signalé la détection d'une molécule de sucre spécifique, le glycolaldéhyde, dans un système stellaire distant. La molécule a été trouvée autour du binaire protostellaire IRAS 16293-2422, qui est situé à 400 années-lumière de la Terre. [55] [56] Parce que le glycolaldéhyde est nécessaire pour former l'ARN, cette découverte suggère que des molécules organiques complexes peuvent se former dans les systèmes stellaires avant la formation des planètes, arrivant finalement sur les jeunes planètes au début de leur formation. [57]

Les nucléotides sont les molécules fondamentales qui se combinent en série pour former l'ARN. Ils sont constitués d'une base azotée attachée à un squelette sucre-phosphate. L'ARN est constitué de longues étendues de nucléotides spécifiques disposés de manière à ce que leur séquence de bases porte des informations. L'hypothèse du monde de l'ARN soutient que dans la soupe primordiale (ou sandwich), il existait des nucléotides flottant librement. Ces nucléotides formaient régulièrement des liaisons les unes avec les autres, qui se brisaient souvent parce que le changement d'énergie était si faible. Cependant, certaines séquences de paires de bases ont des propriétés catalytiques qui abaissent l'énergie de leur chaîne en cours de création, leur permettant de rester ensemble plus longtemps. Au fur et à mesure que chaque chaîne s'allongeait, elle attirait plus rapidement plus de nucléotides correspondants, ce qui faisait que les chaînes se formaient maintenant plus rapidement qu'elles ne se décomposaient.

Ces chaînes ont été proposées par certains comme les premières formes de vie primitives. Dans un monde d'ARN, différents ensembles de brins d'ARN auraient eu des sorties de réplication différentes, ce qui aurait augmenté ou diminué leur fréquence dans la population, c'est-à-dire la sélection naturelle. Au fur et à mesure que les ensembles de molécules d'ARN les plus aptes augmentaient leur nombre, de nouvelles propriétés catalytiques ajoutées par mutation, qui bénéficiaient à leur persistance et à leur expansion, pourraient s'accumuler dans la population. Un tel ensemble autocatalytique de ribozymes, capable de s'auto-répliquer en une heure environ, a été identifié. Il a été produit par compétition moléculaire (in vitro évolution) de mélanges d'enzymes candidats. [58]

La compétition entre ARN a peut-être favorisé l'émergence de coopérations entre différentes chaînes d'ARN, ouvrant la voie à la formation de la première protocellule. Finalement, des chaînes d'ARN se sont développées avec des propriétés catalytiques qui aident les acides aminés à se lier (un processus appelé liaison peptidique). Ces acides aminés pourraient alors aider à la synthèse d'ARN, donnant aux chaînes d'ARN qui pourraient servir de ribozymes l'avantage sélectif. La capacité de catalyser une étape de la synthèse des protéines, l'aminoacylation de l'ARN, a été démontrée dans un segment court (cinq nucléotides) de l'ARN. [59]

En mars 2015, des scientifiques de la NASA ont rapporté que, pour la première fois, des composés organiques complexes d'ADN et d'ARN de la vie, y compris l'uracile, la cytosine et la thymine, ont été formés en laboratoire dans des conditions trouvées uniquement dans l'espace extra-atmosphérique, en utilisant des produits chimiques de départ, comme pyrimidine, trouvée dans les météorites. La pyrimidine, comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), pourrait s'être formée dans les étoiles géantes rouges ou dans les nuages ​​de poussière et de gaz interstellaires, selon les scientifiques. [60]

En 2018, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont identifié trois candidats moléculaires pour les bases qui pourraient avoir formé une première version du proto-ARN : l'acide barbiturique, la mélamine et la 2,4,6-triaminopyrimidine (TAP). Ces trois molécules sont des versions plus simples des quatre bases de l'ARN actuel, qui auraient pu être présentes en plus grandes quantités et pourraient encore être compatibles avec elles, mais peuvent avoir été rejetées par l'évolution en échange de paires de bases plus optimales. [61] Spécifiquement, TAP peut former des nucléotides avec une large gamme de sucres. [62] Le TAP et la mélamine s'associent à l'acide barbiturique. Tous les trois forment spontanément des nucléotides avec le ribose. [63]

L'un des défis posés par l'hypothèse du monde de l'ARN est de découvrir la voie par laquelle un système basé sur l'ARN est passé à un système basé sur l'ADN. Geoffrey Diemer et Ken Stedman, de la Portland State University en Oregon, ont peut-être trouvé une solution. Alors qu'ils menaient une enquête sur les virus dans un lac chaud et acide du parc national volcanique de Lassen, en Californie, ils ont découvert des preuves qu'un simple virus à ADN avait acquis un gène d'un virus à ARN totalement indépendant. Le virologue Luis Villareal de l'Université de Californie à Irvine suggère également que les virus capables de convertir un gène basé sur l'ARN en ADN, puis de l'incorporer dans un génome plus complexe basé sur l'ADN, auraient pu être courants dans le monde des virus pendant la transition de l'ARN à l'ADN. il y a 4 milliards d'années. [64] [65] Cette découverte renforce l'argument en faveur du transfert d'informations du monde de l'ARN au monde émergent de l'ADN avant l'émergence du dernier ancêtre commun universel. De la recherche, la diversité de ce monde de virus est toujours avec nous.

Des preuves supplémentaires soutenant le concept d'un monde à ARN ont résulté de la recherche sur les viroïdes, les premiers représentants d'un nouveau domaine de « agents pathogènes subviraux ». [66] [67] Les viroïdes sont pour la plupart des agents pathogènes des plantes, qui consistent en de courts tronçons (quelques centaines de nucléobases) d'ARN hautement complémentaire, circulaire, simple brin et non codant sans revêtement protéique. Comparés à d'autres agents pathogènes infectieux des plantes, les viroïdes sont extrêmement petits, allant de 246 à 467 nucléobases. En comparaison, le génome des plus petits virus connus capables de provoquer une infection est long d'environ 2 000 nucléobases. [68]

En 1989, Diener a proposé que, sur la base de leurs propriétés caractéristiques, les viroïdes sont des « reliques vivantes » plus plausibles du monde de l'ARN que les introns ou autres ARN alors considérés comme tels. [69] Si tel est le cas, les viroïdes ont atteint une importance potentielle au-delà de la pathologie végétale pour la biologie évolutive, en représentant les macromolécules les plus plausibles connues capables d'expliquer les étapes intermédiaires cruciales de l'évolution de la vie à partir de la matière inanimée (voir: abiogenèse).

Apparemment, l'hypothèse de Diener est restée en sommeil jusqu'en 2014, lorsque Flores et al. a publié un article de synthèse, dans lequel les preuves de Diener soutenant son hypothèse étaient résumées. [70] La même année, un écrivain scientifique du New York Times a publié une version vulgarisée de la proposition de Diener, dans laquelle, cependant, il a crédité à tort Flores et al. avec la conception originale de l'hypothèse. [71]

Les propriétés viroïdes pertinentes répertoriées en 1989 sont :

  1. petite taille, imposée par la réplication sujette aux erreurs
  2. teneur élevée en guanine et en cytosine, ce qui augmente la stabilité et la fidélité de réplication
  3. structure circulaire, qui assure une réplication complète sans étiquettes génomiques
  4. périodicité structurelle, qui permet un assemblage modulaire en génomes élargis
  5. manque de capacité de codage des protéines, compatible avec un habitat sans ribosome et
  6. dans certains cas, la réplication médiée par les ribozymes, l'empreinte digitale du monde de l'ARN. [70]

L'existence, dans les cellules existantes, d'ARN avec des propriétés moléculaires prédites pour les ARN de l'ARN World constitue un argument supplémentaire en faveur de l'hypothèse RNA World.

propre et al. [72] et Woese [73] ont proposé que les génomes des premières protocellules soient composés d'ARN simple brin, et que les gènes individuels correspondent à des segments d'ARN séparés, plutôt que d'être liés de bout en bout comme dans les génomes d'ADN actuels. Une protocellule haploïde (une copie de chaque gène d'ARN) serait vulnérable aux dommages, car une seule lésion dans n'importe quel segment d'ARN serait potentiellement mortelle pour la protocellule (par exemple en bloquant la réplication ou en inhibant la fonction d'un gène essentiel).

La vulnérabilité aux dommages pourrait être réduite en maintenant deux copies ou plus de chaque segment d'ARN dans chaque protocellule, c'est-à-dire en maintenant la diploïdie ou la polyploïdie. La redondance du génome permettrait de remplacer un segment d'ARN endommagé par une réplication supplémentaire de son homologue. Cependant, pour un organisme aussi simple, la proportion des ressources disponibles immobilisées dans le matériel génétique représenterait une fraction importante du budget total des ressources. Dans des conditions de ressources limitées, le taux de reproduction des protocellules serait probablement inversement lié au nombre de ploïdie. L'aptitude de la protocellule serait réduite par les coûts de redondance. Par conséquent, faire face aux gènes d'ARN endommagés tout en minimisant les coûts de redondance aurait probablement été un problème fondamental pour les premières protocellules.

Une analyse coûts-avantages a été réalisée dans laquelle les coûts du maintien de la redondance ont été mis en balance avec les coûts des dommages au génome. [74] Cette analyse a conduit à la conclusion que, dans un large éventail de circonstances, la stratégie choisie serait que chaque protocellule soit haploïde, mais qu'elle fusionne périodiquement avec une autre protocellule haploïde pour former un diploïde transitoire. Le maintien de l'état haploïde maximise le taux de croissance. Les fusions périodiques permettent la réactivation mutuelle de protocellules autrement létalement endommagées. Si au moins une copie sans dommage de chaque gène d'ARN est présente dans le diploïde transitoire, une descendance viable peut être formée. Pour que deux, plutôt qu'une, cellules filles viables soient produites, il faudrait une réplication supplémentaire du gène d'ARN intact homologue à tout gène d'ARN qui avait été endommagé avant la division de la protocellule fusionnée. Le cycle de reproduction haploïde, avec une fusion occasionnelle à un état diploïde transitoire, suivi d'une division à l'état haploïde, peut être considéré comme le cycle sexuel dans sa forme la plus primitive. [74] [75] En l'absence de ce cycle sexuel, les protocellules haploïdes avec des dommages dans un gène d'ARN essentiel mourraient simplement.

Ce modèle pour le cycle sexuel précoce est hypothétique, mais il est très similaire au comportement sexuel connu des virus à ARN segmenté, qui sont parmi les organismes les plus simples connus. Le virus de la grippe, dont le génome est constitué de 8 segments d'ARN simple brin séparés physiquement, [76] est un exemple de ce type de virus.Dans les virus à ARN segmenté, "l'accouplement" peut se produire lorsqu'une cellule hôte est infectée par au moins deux particules virales. Si ces virus contiennent chacun un segment d'ARN avec un dommage mortel, une infection multiple peut conduire à une réactivation à condition qu'au moins une copie intacte de chaque gène viral soit présente dans la cellule infectée. Ce phénomène est connu sous le nom de « réactivation de multiplicité ». Il a été rapporté que la réactivation de la multiplicité se produit dans les infections par le virus de la grippe après induction de dommages à l'ARN par irradiation UV, [77] et rayonnement ionisant. [78]

Patrick Forterre a travaillé sur une nouvelle hypothèse, appelée "trois virus, trois domaines": [79] que les virus ont joué un rôle déterminant dans la transition de l'ARN à l'ADN et dans l'évolution des bactéries, des archées et des eucaryotes. Il pense que le dernier ancêtre commun universel [79] était les virus à ARN évolués et à base d'ARN. Certains des virus ont évolué en virus à ADN pour protéger leurs gènes des attaques. Grâce au processus d'infection virale dans les hôtes, les trois domaines de la vie ont évolué. [79] [80]

Une autre proposition intéressante est l'idée que la synthèse d'ARN pourrait avoir été conduite par des gradients de température, dans le processus de thermosynthèse. [81] Il a été démontré que des nucléotides simples catalysent des réactions organiques. [82]

Steven Benner a fait valoir que les conditions chimiques sur la planète Mars, telles que la présence de bore, de molybdène et d'oxygène, auraient pu être meilleures pour la production initiale de molécules d'ARN que celles sur Terre. Si tel est le cas, des molécules adaptées à la vie, originaires de Mars, peuvent avoir plus tard migré vers la Terre via des mécanismes de panspermie ou un processus similaire. [83] [84]

L'existence hypothétique d'un monde d'ARN n'exclut pas un « monde de pré-ARN », où un système métabolique basé sur un acide nucléique différent est proposé pour précéder l'ARN. Un acide nucléique candidat est l'acide nucléique peptidique (PNA), qui utilise des liaisons peptidiques simples pour lier les nucléobases. [85] Le PNA est plus stable que l'ARN, mais sa capacité à être générée dans des conditions prébiologiques n'a pas encore été démontrée expérimentalement.

L'acide nucléique thréose (TNA) a également été proposé comme point de départ, tout comme l'acide nucléique glycol (GNA), et comme le PNA, il manque également de preuves expérimentales de leur abiogenèse respective.

Une théorie alternative - ou complémentaire - de l'origine de l'ARN est proposée dans l'hypothèse du monde des PAH, selon laquelle les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) interviennent dans la synthèse des molécules d'ARN. [86] Les HAP sont les plus courantes et les plus abondantes des molécules polyatomiques connues dans l'Univers visible, et sont probablement un constituant de la mer primordiale. [87] Les HAP et les fullerènes (également impliqués dans l'origine de la vie) [88] ont été détectés dans les nébuleuses. [89]

La théorie du monde fer-soufre propose que des processus métaboliques simples se soient développés avant le matériel génétique, et que ces cycles de production d'énergie ont catalysé la production de gènes.

Certaines des difficultés de production des précurseurs sur terre sont contournées par une autre théorie alternative ou complémentaire de leur origine, la panspermie. Il discute de la possibilité que la première vie sur cette planète ait été transportée ici depuis un autre endroit de la galaxie, peut-être sur des météorites similaires à la météorite de Murchison. [90] Des molécules de sucre, y compris le ribose, ont été trouvées dans des météorites. [91] [92] La panspermie n'invalide pas le concept d'un monde à ARN, mais postule que ce monde ou ses précurseurs ne sont pas originaires de la Terre mais plutôt d'une autre planète, probablement plus ancienne.

Il y a des hypothèses qui sont en conflit direct avec l'hypothèse du monde de l'ARN [ citation requise ] . La relative complexité chimique du nucléotide et l'improbabilité qu'il apparaisse spontanément, ainsi que le nombre limité de combinaisons possibles entre quatre formes de base, ainsi que le besoin de polymères d'ARN d'une certaine longueur avant de voir une activité enzymatique, ont conduit certains à rejeter le Hypothèse du monde de l'ARN en faveur d'une hypothèse axée sur le métabolisme, où la chimie sous-jacente à la fonction cellulaire est apparue en premier, ainsi que la capacité de répliquer et de faciliter ce métabolisme.

Coévolution ARN-peptide Modifier

Une autre proposition est que le système à double molécule que nous voyons aujourd'hui, où une molécule à base de nucléotides est nécessaire pour synthétiser une protéine et une molécule à base de peptide (protéine) est nécessaire pour fabriquer des polymères d'acide nucléique, représente la forme originale de la vie. [93] Cette théorie est appelée coévolution ARN-peptide, [94] ou le monde Peptide-ARN, et offre une explication possible de l'évolution rapide de la réplication de haute qualité dans l'ARN (puisque les protéines sont des catalyseurs), avec l'inconvénient d'avoir postuler la formation concomitante de deux molécules complexes, une enzyme (à partir de peptides) et un ARN (à partir de nucléotides). Dans ce scénario Peptide-RNA World, l'ARN aurait contenu les instructions pour la vie, tandis que les peptides (simples enzymes protéiques) auraient accéléré les réactions chimiques clés pour exécuter ces instructions. [95] L'étude laisse ouverte la question de savoir exactement comment ces systèmes primitifs ont réussi à se répliquer - quelque chose que ni l'hypothèse du monde de l'ARN ni la théorie du monde des peptides-ARN ne peuvent encore expliquer, à moins que les polymérases (enzymes qui assemblent rapidement la molécule d'ARN) ne jouent un rôle. rôle. [95]

Un projet de recherche achevé en mars 2015 par le groupe Sutherland a découvert qu'un réseau de réactions commençant par le cyanure d'hydrogène et le sulfure d'hydrogène, dans des flux d'eau irradiés par la lumière UV, pourrait produire les composants chimiques des protéines et des lipides, aux côtés de ceux de l'ARN. [96] [97] Les chercheurs ont utilisé le terme « cyanosulfidique » pour décrire ce réseau de réactions. [96] En novembre 2017, une équipe du Scripps Research Institute a identifié des réactions impliquant le composé diamidophosphate qui auraient pu lier les composants chimiques en de courtes chaînes peptidiques et lipidiques ainsi qu'en de courtes chaînes de nucléotides de type ARN. [98] [99]

L'hypothèse du monde de l'ARN, si elle est vraie, a des implications importantes pour la définition de la vie. Pendant la plupart du temps qui a suivi l'élucidation de la structure de l'ADN par Franklin, Watson et Crick en 1953, la vie était largement définie en termes d'ADN et de protéines : l'ADN et les protéines semblaient être les macromolécules dominantes dans la cellule vivante, l'ARN n'aidant qu'à créer des protéines à partir de le plan ADN.

L'hypothèse du monde de l'ARN place l'ARN au centre de l'origine de la vie. L'hypothèse du monde de l'ARN est étayée par les observations selon lesquelles les ribosomes sont des ribozymes : [100] [101] le site catalytique est composé d'ARN et les protéines n'ont pas de rôle structurel majeur et ont une importance fonctionnelle périphérique. Cela a été confirmé avec le déchiffrement de la structure tridimensionnelle du ribosome en 2001. Plus précisément, la formation de liaisons peptidiques, la réaction qui lie les acides aminés ensemble en protéines, est maintenant connue pour être catalysée par un résidu adénine dans l'ARNr.

Les ARN sont connus pour jouer des rôles dans d'autres processus catalytiques cellulaires, en particulier dans le ciblage d'enzymes vers des séquences d'ARN spécifiques. Chez les eucaryotes, le traitement du pré-ARNm et l'édition de l'ARN ont lieu sur des sites déterminés par l'appariement des bases entre l'ARN cible et les constituants de l'ARN des petites ribonucléoprotéines nucléaires (snRNP). Un tel ciblage enzymatique est également responsable de la régulation négative des gènes par interférence ARN (ARNi), où un ARN guide associé à une enzyme cible un ARNm spécifique pour une destruction sélective. De même, chez les eucaryotes, le maintien des télomères implique la copie d'une matrice d'ARN qui est un élément constitutif de l'enzyme ribonucléoprotéine de la télomérase. Un autre organite cellulaire, la voûte, comprend un composant ribonucléoprotéique, bien que la fonction de cet organite reste à élucider.


ELI5 : Pourquoi les premiers organismes se sont-ils répliqués ?

Autant que je sache, au bon vieux temps où la Terre n'était qu'une soupe jeune, chaude et primordiale, une chose amusante s'est produite. Les étoiles (étoiles, molécules organiques complexes, grand diff) alignées et voilà ! Un organisme est né ! Selon mon manuel AP Bio, les conditions nécessaires pour que cela se produise étaient très probablement quelque part dans un évent hydrothermal.

Ma question est la suivante : pourquoi (et des points bonus pour savoir comment) ces organismes primitifs, d'abord, unicellulaires se sont-ils répliqués ? Il n'y avait pas d'ARN ou d'ADN et même s'il y en avait, pourquoi cela CAUSErait la réplication ?

EDIT : Comme l'ont souligné quelques utilisateurs, l'hypothèse de RNA World suggère que les premiers "organismes" étaient de l'ARN, qui peut se répliquer.

Les tout premiers organismes étaient essentiellement des taches contenant des matériaux très spécifiques à l'intérieur. Lorsque les gouttes ont grossi, elles sont finalement devenues si grosses qu'elles se sont divisées en deux, partageant les entrailles de la goutte d'origine. Presto, reproduction extrêmement primitive.

C'est un bon début pour une réponse.

J'ajoute qu'être meilleur en matière de reproduction a apporté un avantage évolutif - ceux qui disposaient de mécanismes garantissant que la prochaine génération disposait de ressources suffisantes pour prospérer étaient plus susceptibles de transmettre ces mécanismes.

Mais que dire qu'ils se séparent de manière égale, c'est-à-dire que les deux blobs sont identiques ? Pourquoi cela n'a-t-il pas entraîné la croissance exponentielle d'un nombre insondable de cellules primitives uniques se divisant de cette façon ?

Je ne pense pas qu'un organisme selon notre définition actuelle ait émergé, mais quelque chose d'autre. Consultez : https://en.wikipedia.org/wiki/RNA_world

Bien sûr, il est naturel de se demander comment l'ARN a pu exister, et cela peut nous prendre beaucoup de temps à découvrir. Je me demande si la mutation a été le précurseur de la réplication.

Ah, je me souviens avoir lu sur l'hypothèse du monde de l'ARN maintenant. Mais l'ARN sur lui-même ne peut pas se répliquer. Existe-t-il des théories de premier plan sur la façon dont les premières molécules d'ARN ont réussi cela ?

Je me souviens avoir lu que les premières gouttes microscopiques avaient également absorbé ces petits cristaux d'argile. Lorsque plus de cristaux se sont développés, ils ont utilisé le cristal précédent comme modèle, produisant une copie exacte. Cela a fini par être utilisé comme des gènes primitifs avant l'apparition de l'ARN.

C'est intéressant, je n'avais jamais entendu cette théorie auparavant. Savez-vous pourquoi ils ont utilisé les cristaux précédents pour se répliquer ? J'apprécie également toutes les ressources sur le sujet que vous me proposez.

Il n'y avait pas d'ARN ou d'ADN et même s'il y en avait, pourquoi cela CAUSErait la réplication ?

Ce n'est pas vrai, selon l'explication la plus largement acceptée pour cela, connue sous le nom d'"hypothèse du monde de l'ARN". L'idée est que les premiers "organismes" à réplication étaient des molécules d'ARN. Sur la base des conditions d'une Terre primitive, les éléments constitutifs de l'ARN pourraient se former naturellement.

L'un des avantages de l'ARN est qu'il peut en fait se répliquer dans une certaine mesure. Différentes bases (morceaux d'ARN ou d'ADN) correspondent à d'autres bases particulières dans un motif. De plus, l'ARN n'est qu'une chaîne de nucléotides (petites unités répétitives), il peut donc ajouter plus de bases pour devenir plus long ou se séparer pour former des chaînes plus courtes.

Et en plus de tout cela, l'ARN a une autre propriété importante : il peut agir comme une enzyme et catalyser des réactions. En d'autres termes, l'ARN peut effectuer des réactions chimiques, ce qui lui permet d'effectuer des réactions plus complexes que de simplement allonger et raccourcir les chaînes. En fait, même dans les cellules modernes, l'ARN (dans les ribosomes) est utilisé pour fabriquer des protéines, une tâche incroyablement importante pour les choses complexes qu'une cellule peut faire.

Pour résumer, bien qu'il ne compte pas vraiment comme un organisme, la première chose biologique à se reproduire était probablement l'ARN. Les conditions sur Terre étaient propices à la production des éléments constitutifs de l'ARN, et l'ARN possède de nombreuses propriétés qui lui confèrent la capacité de se reproduire.


2. UNE VUE “RNA-FIRST” DE L'ORIGINE DE LA VIE

2.1. Synthèse abiotique de polynucléotides

Cette section considère la synthèse d'oligonucléotides à partir de ß-d-nucleoside 5′-phosphates, laissant de côté pour l'instant la question de savoir comment les nucléotides sont devenus disponibles sur la Terre primitive. Deux réactions chimiques fondamentalement différentes sont impliquées. Tout d'abord, le nucléotide doit être converti en un dérivé activé, par exemple, un nucléoside 5′-polyphosphate. Ensuite, le groupe 3&# x02032-hydroxyle d'une molécule de nucléotide ou d'oligonucléotide doit être amené à réagir avec le groupe phosphate activé d'un monomère. La synthèse d'oligonucléotides à partir de nucléoside 3′-phosphates ne sera pas discutée car les nucléoside 2′- ou 3′-phosphates activés réagissent en général facilement pour former des phosphates 2′,3′-cycliques. Il est peu probable que ces phosphates cycliques s'oligomérisent efficacement car la constante d'équilibre pour la formation de dimères n'est que de l'ordre de 1,0 L/mol (Erman et Hammes 1966 Mohr et Thach 1969). En présence d'une matrice complémentaire, des oligomères un peu plus gros pourraient être formés car l'énergie libre d'hybridation aiderait à faire avancer la réaction d'extension de chaîne.

Dans la synthèse enzymatique de l'ARN et de l'ADN, les nucléosides 5′-triphosphates (NTP) sont les substrats de la polymérisation. La polynucléotide phosphorylase, bien qu'il s'agisse d'une enzyme de dégradation dans la nature, peut être utilisée pour synthétiser des oligonucléotides à partir de nucléosides 5 & 02032-diphosphates. Les nucléosides 5′-polyphosphates sont donc des candidats évidents pour les formes activées des nucléotides. Bien que les nucléosides 5′-triphosphates ne se forment pas facilement, la synthèse de nucléosides 5′-tétraphosphates à partir de nucléotides et de trimétaphosphate inorganique fournit une voie prébiotique raisonnablement plausible vers les nucléotides activés (Lohrmann 1975). D'autres synthèses prébiotiques plus ou moins plausibles de nucléosides 5′-polyphosphates à partir de nucléotides ont également été rapportées (Handschuh et al. 1973 Osterberg et al. 1973 Reimann et Zubay 1999). Moins clair, cependant, est de savoir comment le premier phosphate aurait été mobilisé pour convertir les nucléosides en 5′-nucléotides. Les nucléosides 5′-polyphosphates sont des esters de phosphate à haute énergie, mais sont relativement peu réactifs en solution aqueuse. Cela peut être avantageux pour la polymérisation catalysée par une enzyme, mais constitue un obstacle sérieux pour la polymérisation non enzymatique des nucléosides 5′-polyphosphates, qui se produirait beaucoup plus lentement que l'hydrolyse du polynucléotide résultant.

Dans une approche différente de l'activation des nucléotides, l'isolement d'un intermédiaire activé est évité en utilisant un agent de condensation tel qu'un carbodiimide (Khorana 1961). C'est une méthode populaire en synthèse organique, mais son application à la chimie prébiotique est problématique. Des molécules potentiellement prébiotiques telles que le cyanamide et le cyanoacétylène activent les nucléotides en solution aqueuse, mais les réactions de condensation ultérieures sont inefficaces (Lohrmann et Orgel 1973).

La plupart des tentatives d'étude de la polymérisation non enzymatique des nucléotides dans le contexte de la chimie prébiotique ont utilisé des nucléosides 5′-phosphoramidates, en particulier des nucléosides 5′-phosphorimidazolides. Bien que les phosphorimidazolides puissent être formés à partir d'imidazoles et de nucléosides 5′-polyphosphates (Lohrmann 1977), ils ne sont que marginalement plausibles en tant que molécules prébiotiques. Ils ont été choisis parce qu'ils se préparent facilement et réagissent à une vitesse convenable en solution aqueuse.

Les nucléotides contiennent trois groupes nucléophiles principaux : le 5&#-phosphate, le 2߰-hydroxyle et le 3߰-hydroxyle, par ordre de réactivité décroissante. La réaction d'un nucléotide ou d'un oligonucléotide avec un nucléotide activé donne donc normalement 5′,5′-pyrophosphate-, 2′,5′-phosphodiester- et 3′,5′-phosphodiester-linked adduits ( Fig. 1 A), par ordre d'abondance décroissante (Sulston et al. 1968). Ainsi, la condensation de plusieurs monomères donnerait probablement un oligomère contenant un pyrophosphate et une prépondérance de liaisons 2′,5′-phosphodiester (Fig. 1 B). Il y a peu de chance de produire entièrement des oligomères liés en 3 & # x02032,5 & # x02032 à partir de nucléotides activés à moins qu'un catalyseur puisse être trouvé qui augmente la proportion de liaisons 3 & # x02032,5 & # x02032-phosphodiester. Plusieurs ions métalliques, notamment Pb 2+ et UO2 2+, catalysent la formation d'oligomères à partir du nucléoside 5′-phosphorimidazolides (Sleeper et Orgel 1979 Sawai et al. 1988). La réaction catalysée par Pb 2+ est particulièrement efficace lorsqu'elle est réalisée dans des solutions eutectiques des monomères activés (dans des solutions concentrées obtenues par congélation partielle de solutions plus diluées). Des quantités substantielles d'oligomères longs se forment dans des conditions eutectiques, mais les oligomères produits contiennent toujours une grande proportion de liaisons 2′,5′ (Kanavarioti et al. 2001 Monnard et al. 2003).

Liaisons phosphodiester résultant de la condensation chimique de nucléotides. (UNE) Réaction d'un mononucléotide activé (Ni+1) avec un oligonucléotide (N1–Nje ) pour former un 3′,5′-phosphodiester (la gauche), 2′,5′-phosphodiester (milieu), ou une liaison 5′,5′-pyrophosphate (droit). (B) Produit oligomère typique résultant de la condensation chimique de mononucléotides activés.

Quels types de catalyseurs prébiotiques plausibles pourraient conduire à la production d'oligonucléotides liés directement à partir du nucléoside 5′-phosphorimidazolides ou d'autres nucléotides activés ? Il est peu probable, mais pas impossible, qu'un ion métallique ou un simple catalyseur acide-base fournisse une régiospécificité suffisante. La plus intéressante des autres hypothèses est que l'adsorption sur une surface spécifique d'un minéral pourrait orienter les nucléotides activés de manière rigide et ainsi catalyser une réaction hautement régiospécifique.

Les travaux de Ferris et de ses collaborateurs viennent étayer cette hypothèse (Ferris et al. 2004 Ferris 2006). Ils ont étudié l'oligomérisation du nucléoside 5′-phosphorimidazolides et des nucléotides activés associés sur le minéral argileux montmorillonite (Ferris et Ertem 1993 Kawamura et Ferris 1994 Miyakawa et Ferris 2003). Certains échantillons du minéral sont des catalyseurs efficaces, favorisant la formation d'oligomères même à partir de solutions diluées de substrats nucléotidiques activés. De plus, le minéral affecte profondément la régiospécificité de la réaction. L'oligomérisation de l'adénosine 5′-phosphorimidazolide, par exemple, donne principalement des produits liés à 3′,5′ en présence de montmorillonite, mais principalement des produits liés à 2′,5′ en solution aqueuse (Ding et al. 1996 Kawamura et Ferris 1999). Une fois que les oligomères courts ont été synthétisés, ils peuvent être étendus davantage en les adsorbant sur de la montmorillonite ou de l'hydroxylapatite et en ajoutant à plusieurs reprises des monomères activés, ce qui entraîne l'accumulation d'oligoadénylates principalement liés à 3′,5′ jusqu'à 40� sous-unités de longueur (Ferris et al. 1996 Ferris 2002). Cependant, même lorsqu'ils sont adsorbés sur la montmorillonite, les phosphorimidazolides des nucléosides pyrimidiques donnent des oligomères majoritairement liés en 2′,5′.

Des oligomères longs ont également été obtenus à partir de monomères en une seule étape en utilisant un nucléotide activé différent dans lequel l'imidazole est remplacé par la 1-méthyl-adénine (Prabahar et Ferris 1997 Huang et Ferris 2003).En utilisant le dérivé 1-méthyl-adénine de l'adénylate ou de l'uridylate, des oligomères contenant jusqu'à 40 sous-unités ont été produits, consistant en des liaisons �% 3′,5′ pour l'oligoadénylate et �% 3′,5&# x02032-linkages pour oligouridylate (Huang et Ferris 2006). L'oligomérisation du dérivé 1-méthyl-adénine du guanylate ou du cytidylate était moins efficace, mais les quatre monomères activés pouvaient être co-incorporés, au moins dans une mesure modeste, dans des oligonucléotides synthétisés de manière abiotique.

Une analyse détaillée de ces travaux sur la catalyse par la montmorillonite suggère que l'oligomérisation se produit à un nombre limité de sites actifs structurellement spécifiques au sein des couches intermédiaires de l'argile (Wang et Ferris 2001). Ces sites ne doivent pas être saturés d'ions sodium, qui semblent bloquer l'accès des nucléotides activés (Joshi et al. 2009). Plusieurs échantillons différents de montmorillonite se sont avérés être de bons catalyseurs, en partie en fonction de leur teneur en protons par rapport aux ions sodium. Il sera important de déterminer s'il existe d'autres types de minéraux qui sont des catalyseurs comparables efficaces de la synthèse d'oligonucléotides et, le cas échéant, d'étudier la régiospécificité et la généralité de la séquence des réactions qu'ils catalysent.

2.2. Réplication non enzymatique de l'ARN

Si un mécanisme existait sur la Terre primitive pour la polymérisation des nucléotides activés, il aurait généré un mélange complexe d'oligonucléotides produits qui différaient à la fois par leur longueur et leur séquence. L'étape suivante de l'émergence d'un monde de l'ARN aurait été la réplication de certaines de ces molécules, afin qu'un processus équivalent à la sélection naturelle puisse commencer. La réaction centrale à la réplication des acides nucléiques est la synthèse dirigée par matrice, c'est-à-dire la synthèse d'un oligonucléotide complémentaire sous la direction d'un oligonucléotide préexistant. De nombreux travaux ont déjà été réalisés sur cet aspect de la réplication non enzymatique. Ce travail a été examiné ailleurs (Joyce 1987 Orgel 2004a), donc seul un résumé des résultats sera donné ici.

La première conclusion majeure est que la plupart des nucléotides activés ne subissent pas de réactions efficaces, régiospécifiques, dirigées par matrice en présence d'une matrice d'ARN ou d'ADN. En général, seule une petite proportion de molécules modèles réussissent à diriger la synthèse d'un complément complet, et le complément contient généralement un mélange de liaisons 2 & 02032,5 & x02032- et 3 & 02032,5 & phosphodiester. Après une recherche considérable, un ensemble de nucléotides activés a été trouvé qui subissent des réactions dirigées par matrice efficaces et hautement régiospécifiques. En travaillant avec la guanosine 5′-phospho-2-méthylimidazolide (2-MeImpG), il a été montré que le poly(C) peut diriger la synthèse de longs oligo(G) dans une réaction hautement efficace et hautement régiospécifique (Inoue et Orgel 1981). Si poly(C) est incubé avec un mélange équimolaire des quatre 2-MeImpNs (N = G, A, C ou U), moins de 1 % du produit est constitué de nucléotides non complémentaires (Inoue et Orgel 1982). Des expériences ultérieures ont suggéré que cette réaction et les réactions connexes discutées plus tard se produisent préférentiellement dans le contexte de doubles hélices qui ont une structure ressemblant à la forme A de l'ARN (Kurz et al. 1997, 1998 Kozlov et al. 1999, 2000).

Des copolymères aléatoires contenant un excès de résidus C peuvent être utilisés pour diriger la synthèse de produits contenant G et les compléments des autres bases présentes dans la matrice (Inoue et Orgel 1983). La réaction avec une matrice poly(C,G) est particulièrement intéressante car les produits, comme la matrice, sont entièrement composés de résidus C et G. Si ces produits pouvaient à leur tour être utilisés comme modèles, cela pourrait permettre l'émergence d'une séquence auto-répliquante. L'auto-réplication, cependant, est peu probable, principalement parce que les molécules poly(C,G) qui ne contiennent pas un excès de résidus C ont tendance à former des auto-structures stables qui les empêchent d'agir comme modèles (Joyce et Orgel 1986). Les auto-structures sont de deux types : (1) la variété Watson-Crick standard basée sur des paires C•G, et (2) une structure quadrahélix qui résulte de l'association de quatre séquences riches en G. En conséquence, tout oligonucléotide riche en C qui peut servir de bonne matrice donnera naissance à des produits complémentaires riches en G qui ont tendance à être verrouillés dans l'auto-structure et ne peuvent donc pas agir comme matrices. Surmonter le problème d'auto-structure en utilisant les nucléotides C et G standard est très difficile car cela nécessite la découverte de conditions qui favorisent la liaison des mononucléotides pour permettre la synthèse dirigée par matrice, mais suppriment la formation de longues régions duplex qui excluraient l'activation monomères du gabarit.

Des progrès ont été réalisés dans la découverte de modèles de séquences définis qui sont copiés fidèlement pour produire des produits complémentaires (Inoue et al. 1984 Acevedo et Orgel 1987 Wu et Orgel 1992a). Les matrices réussies contiennent généralement un excès de résidus C, les résidus A et U étant isolés les uns des autres par au moins trois résidus C. Les séries de résidus G sont copiées dans les séries de résidus C, tant que la formation d'auto-structures par les résidus G peut être évitée (Wu et Orgel 1992b). À la lumière des preuves disponibles, il semble peu probable qu'une paire de séquences complémentaires puisse être trouvée, chacune facilitant la synthèse de l'autre en utilisant le nucléoside 5′-phospho-2-méthylimidazolides comme substrats. Certains des obstacles à l'auto-réplication peuvent être attribuables au choix des réactifs et des conditions de réaction, mais d'autres semblent être intrinsèques à la condensation dirigée par matrice de mononucléotides activés.

Un schéma de réplication non enzymatique apparenté implique la synthèse par ligature d'oligomères courts liés en 3′,5′ (James et Ellington 1999). C'est certainement une possibilité intéressante, rendue plus plausible par la découverte de réactions analogues catalysées par les ribozymes (Bartel et Szostak 1993), mais elle se heurte à deux obstacles majeurs. Le premier est la difficulté d'obtenir les substrats en premier lieu. La seconde concerne la fidélité. Les paires d'oligonucléotides contenant un seul mésappariement de base, en particulier si le mésappariement forme une paire oscillante G•U, s'hybrident toujours aussi efficacement que les oligomères totalement complémentaires, sauf dans une plage de température très proche du point de fusion de la structure parfaitement appariée. Le maintien de la fidélité serait donc difficile quel que soit le régime de température plausible.

Malgré ces problèmes, la ligature dirigée par matrice d'oligonucléotides courts peut être une alternative viable à l'oligomérisation de monomères activés. Les travaux de Ferris discutés ci-dessus suggèrent que principalement des oligonucléotides liés en 3′,5′ pourraient se former spontanément à partir de nucléotides activés sur une certaine variété de montmorillonite (Ferris et al. 1996) ou sur un autre minéral. Les oligonucléotides 5′-triphosphates subissent une ligature lente mais remarquablement 3′,5′-régiospécifique en présence d'une matrice complémentaire (Rohatgi et al. 1996a,b). La combinaison de certaines de ces paires de réactions pourrait fournir un schéma de réplication pour les polynucléotides commençant par un apport de monomères activés.

Des efforts sont également déployés dans ce que l'on appelle parfois la « biologie synthétique » pour obtenir une réplication non enzymatique avec des molécules qui ressemblent à des acides nucléiques biologiques, mais ne sont pas limités par des considérations de chimie prébiotique plausible. Par exemple, les groupes 2′- et 3′-hydroxyle des mononucléotides activés peuvent être remplacés par un groupe amino à l'une ou l'autre position, offrant une nucléophilie améliorée et entraînant une oligomérisation plus rapide dépendante de la matrice (et indépendante de la matrice) (Lohrmann et Orgel 1976 Zielinski et Orgel 1985). Les blocs de construction dinucléotidiques, constitués d'analogues 3-amino, 3-désoxynucléotidiques, peuvent également être oligomérisés en présence d'un agent de condensation approprié (Zielinski et Orgel 1987). Avec une modification supplémentaire des bases nucléotidiques, il a été possible d'effectuer la copie dirigée par matrice de séquences d'acides nucléiques qui contiennent les quatre bases (Schrum et al. 2009). Ces efforts, bien que n'expliquant pas l'origine du monde de l'ARN, contribuent à comprendre les défis chimiques qui doivent être surmontés pour parvenir à la réplication non enzymatique de l'ARN.

2.3. La première réplique d'ARN

La notion d'ARN World met l'accent sur une molécule d'ARN qui catalyse sa propre réplication. Une telle molécule doit fonctionner comme une ARN polymérase dépendante de l'ARN, agissant sur elle-même (ou des copies d'elle-même) pour produire des ARN complémentaires, et agissant sur les ARN complémentaires pour produire des copies supplémentaires d'elle-même. L'efficacité et la fidélité de ce processus doivent être suffisantes pour produire des molécules d'ARN viables de la descendance à un taux qui dépasse le taux de décomposition des parents. Au-delà de ces exigences, les détails du processus de réplication ne sont pas très contraint.

La première vue de l'ARN sur l'origine de la vie suppose qu'un approvisionnement en nucléotides activés ß-d était disponible par certains processus abiotiques encore non reconnus. En outre, il suppose qu'il existait un moyen de convertir les nucléotides activés en un ensemble de polynucléotides à séquence aléatoire, dont un sous-ensemble avait la capacité de se répliquer. Il semble implicite dans le modèle que de tels polynucléotides se répliquent mais, pour une raison quelconque, ne répliquent pas des voisins non apparentés. Il n'est pas clair si la réplication implique une molécule se copiant (et son complément) ou une famille de molécules qui se copient ensemble. Ces questions sont mises de côté pour le moment afin d'aborder la question de savoir si une molécule d'ARN de longueur raisonnablement courte peut catalyser sa propre réplication avec une fidélité suffisamment élevée.

Précision et survie

Le concept de seuil d'erreur, c'est-à-dire une limite supérieure à la fréquence des erreurs de copie qui peuvent être tolérées par une macromolécule de réplication, a été introduit pour la première fois par Eigen (1971). Cette idée importante a été étendue dans une série d'articles mathématiquement sophistiqués par McCaskill, Schuster et d'autres (McCaskill 1984a Eigen et al. 1988 Schuster et Swetina 1988). Ici, seul un bref résumé du sujet est fourni.

Le modèle d'Eigen (1971) envisage une population de polynucléotides répliquants qui s'appuient sur un approvisionnement limité de mononucléotides activés pour produire des copies supplémentaires d'eux-mêmes. Dans ce modèle, le taux de synthèse de nouvelles copies d'un ARN de réplication particulier est proportionnel à sa concentration, ce qui entraîne une croissance autocatalytique. Le taux net de production est la différence entre le taux de formation de copies sans erreur et le taux de décomposition des copies existantes de l'ARN. Pour qu'un ARN avantageux dépasse ses concurrents, son taux net de production doit dépasser le taux moyen de production de tous les autres ARN de la population. Seules les copies sans erreur de l'ARN avantageux contribuent à son taux net de production, mais toutes les copies des autres ARN contribuent à leur production collective. Ainsi, l'avantage relatif dont bénéficie l'individu avantageux par rapport au reste de la population (souvent appelé « superiorité » de l'individu avantageux) doit dépasser la probabilité de produire une copie erronée de cet individu avantageux.

La proportion de copies d'un ARN exemptes d'erreurs est déterminée par la fidélité des réactions de condensation des composants nécessaires pour produire une copie complète. Pour plus de simplicité, considérons un ARN auto-répliquant qui est formé par m réactions de condensation, chacune ayant une fidélité moyenne q. La probabilité d'obtenir une copie totalement exempte d'erreurs est donnée par q m , qui est le produit de la fidélité des réactions de condensation des composants. Si un individu avantageux doit dépasser ses concurrents, q m doit dépasser la supériorité, s, de cet individu. Exprimé en termes de nombre de réactions nécessaires pour produire l'individu avantageux,

Pour s > 1 et q > 0.9, cette équation se simplifie en

C'est le 𠇎rror seuil,” qui décrit la relation inverse entre la fidélité de réplication, q, et le nombre maximal admissible de réactions de condensation des composants, m. Le nombre maximum de réactions composantes est très sensible à la fidélité de réplication, mais ne dépend que faiblement de la supériorité de l'individu avantageux. Pour un ARN auto-répliquant qui est formé par la condensation dirigée par matrice de mononucléotides activés, un total de 2m – 2 réactions de condensation sont nécessaires pour produire une copie complète. Ceci prend en compte la synthèse à la fois d'un brin complémentaire et d'un complément du complément.

Il faut reconnaître qu'une supériorité marquée d'une séquence sur toutes les autres séquences ne pourrait pas être maintenue au cours de l'évolution, car de nouvelles variantes surgiraient bientôt pour défier l'espèce dominante. Cependant, une supériorité initiale marquée peut être importante pour permettre à un ARN efficace d'auto-réplication d'émerger d'un pool de réplicateurs moins efficaces. En l'absence d'autres réplicateurs efficaces, un ARN primitif auto-répliquant qui fonctionne avec une faible fidélité peut prendre pied en tirant parti d'un seuil d'erreur un peu moins strict. Que cela puisse se produire ou non dépend de sa supériorité. Par exemple, un ARN qui se réplique 10 fois plus efficacement que ses concurrents et le fait avec une fidélité de 90 % pourrait ne pas dépasser 12 nucléotides, et un ARN tout aussi avantageux qui se réplique avec une fidélité de 70 % pourrait ne pas dépasser quatre nucléotides. Il semble hautement improbable que tout des 17 millions de dodécamères d'ARN possibles est capable de catalyser sa propre réplication avec une fidélité de 90 %, et encore moins probable qu'un tétranucléotide puisse catalyser sa propre réplication avec une fidélité de 70 %. Cependant, un ARN qui se réplique 106 fois plus efficacement que ses concurrents et le fait avec une fidélité de 90 % pourrait atteindre 67 nucléotides, et un ARN qui se réplique avec une fidélité de 70 % pourrait atteindre 20 nucléotides.

Lorsque l'auto-réplication est établie pour la première fois, la fidélité est susceptible d'être médiocre et il existe une forte pression de sélection favorisant l'amélioration de la fidélité. À mesure que la fidélité s'améliore, un plus grand génome peut être maintenu. Cela permet l'exploration d'un plus grand nombre de séquences possibles, dont certaines peuvent conduire à une amélioration supplémentaire de la fidélité, ce qui permet à son tour une taille de génome encore plus grande, et ainsi de suite. Une fois que la population en évolution a atteint une fidélité d'environ 99%, une longueur de génome d'environ 100 nucléotides peut être maintenue, même pour des valeurs de supériorité modestes. Cela permettrait à la vie basée sur l'ARN de s'établir fermement. Jusque-là, c'est une course entre l'amélioration évolutive dans le cadre d'un système autorépliquant bâclé et le risque de délocalisation de l'information génétique par dépassement du seuil d'erreur. Si le temps nécessaire pour amorcer la haute fidélité et les grands génomes est trop long, il existe un risque que la population succombe à une catastrophe environnementale avant d'avoir eu la chance de développer des contre-mesures appropriées.

Il est difficile d'énoncer avec certitude la taille minimale possible d'un ribozyme d'ARN réplicase. Un ARN composé d'un seul élément structurel secondaire, c'est-à-dire une petite tige-boucle contenant 12&# x0201317 nucléotides, ne devrait pas avoir d'activité de réplicase, alors qu'une double tige-boucle, formant peut-être une structure en 𠇍umbbell” ou un pseudo-nœud, pourrait juste être capable d'un faible niveau d'activité. Une structure triple tige-boucle, contenant 40� nucléotides, offre un espoir raisonnable de fonctionner comme un ribozyme réplicase. On pourrait, par exemple, imaginer une molécule constituée d'un pseudo-nœud et d'une tige-boucle pendante qui forme une fente pour la réplication dépendante de la matrice.

Supposons qu'il y ait environ 40-mères qui jouissent d'une supériorité de 10 3 fois et se répliquent avec une fidélité de 90 %. Cela doit être considéré comme une vision très optimiste mais pas scandaleuse de ce qui est possible pour un ribozyme de réplicase minimum. Une telle molécule devrait-elle apparaître au sein d'une population d'ARN à séquence aléatoire ? Une bibliothèque complète composée d'un exemplaire de chacun des 10 24 40-mers possibles pèserait environ 1 kg. Il peut y avoir beaucoup de ces 40-mers, englobant à la fois des motifs structuraux distincts et, plus important encore, un grand nombre de représentations équivalentes de chaque motif. En conséquence, même une petite fraction de la banque totale, constituée peut-être de 1020 séquences et pesant environ 1 g, pourrait contenir au moins un ARN auto-répliquant avec les propriétés requises. Il ne suffit pas, cependant, qu'il n'y ait qu'une seule copie d'un ARN auto-répliquant. Les calculs ci-dessus supposent qu'un ARN auto-répliquant peut se copier (ou qu'une séquence entièrement complémentaire est automatiquement disponible, comme nous le verrons plus loin). Si deux copies ou plus du même ARN 40mer sont nécessaires, alors une bibliothèque beaucoup plus grande, composée de 10 48 ARN et pesant 10 28 g serait nécessaire. Cette quantité est comparable à la masse de la Terre.

À première vue, il pourrait sembler qu'une façon d'atténuer le seuil d'erreur serait que le ribozyme de la réplicase accepte les substrats dinucléotidiques ou trinucléotidiques, de sorte que des copies de l'ARN puissent être formées par moins de réactions de condensation. Les calculs montrent que, sur une large gamme de valeurs de supériorité, les ARN qui doivent se répliquer avec une fidélité de 90 % lors de l'utilisation de substrats mononucléotidiques devraient se répliquer avec une fidélité d'environ 80 % lors de l'utilisation de substrats dinucléotidiques ou une fidélité d'environ 70 % lors de l'utilisation de substrats trinucléotidiques. Ainsi, l'utilisation d'oligomères courts n'offre qu'un avantage modeste en raison de l'abaissement du seuil d'erreur, qui serait probablement compensé par la plus grande difficulté d'obtenir une haute fidélité lors de la discrimination parmi les 16 dinucléotides possibles ou 64 substrats trinucléotidiques possibles, plutôt qu'entre les quatre mononucléotides.

Si l'on accepte le point de vue de l'ARN d'abord qu'il y avait un pool prébiotique d'ARN à séquence aléatoire, et si l'on suppose que le pool comprenait un ribozyme réplicase contenant, disons, 40 nucléotides et se répliquant avec une fidélité d'environ 90 %, alors ce n'est pas difficile d'imaginer comment l'évolution basée sur l'ARN a pu commencer. Au cours de la période initiale, un clone réussi se serait développé en l'absence de compétition. Au fur et à mesure que la compétition pour les substrats s'est intensifiée, il aurait suivi une succession d'individus de plus en plus avantageux, chacun se reproduisant à l'intérieur de son seuil d'erreur. Après une période d'intensification de la compétition, l'espèce la plus avantageuse aurait été remplacée par une "quasi-espèce", c'est-à-dire un mélange de l'individu le plus avantageux et de quantités substantielles d'individus étroitement apparentés qui se répliquent presque aussi vite et presque aussi vite. fidèlement comme la plus avantageuse (Eigen et Schuster 1977 Eigen et al. 1988).Dans ces conditions, la persistance d'un individu particulièrement avantageux n'est plus le problème, mais il faut comprendre l'évolution de la composition de la quasi-espèce et les conditions de sa persistance. Ce problème difficile a été partiellement résolu par McCaskill (1984b). La forme générale de la solution est très similaire au seuil d'erreur décrit par Eigen (1971), mais avec des valeurs différentes pour la constante de l'inégalité. Ainsi, les préoccupations concernant le seuil d'erreur s'appliquent à la quasi-espèce ainsi qu'à la succession des individus. En pratique, cependant, une fois qu'une distribution de quasi-espèces de réplicateurs sophistiqués aurait émergé, le monde de l'ARN aurait été sur des bases solides et, à moins d'une catastrophe environnementale, il est peu probable qu'il perde la capacité de conserver des informations génétiques au fil du temps.

Un autre paradoxe de la poule et de l'œuf

La discussion précédente a essayé puissamment de présenter la vision la plus optimiste possible pour l'émergence d'un ribozyme de réplicase d'ARN à partir d'une soupe de polynucléotides à séquence aléatoire. Il faut cependant admettre que ce modèle ne paraît pas très plausible. La discussion s'est concentrée sur un homme de paille : le mythe d'une petite molécule d'ARN qui apparaît de novo et peut se répliquer efficacement et avec une grande fidélité dans des conditions prébiotiques plausibles. Non seulement une telle notion est irréaliste à la lumière de la compréhension actuelle de la chimie prébiotique (Joyce 2002), mais elle devrait mettre à rude épreuve la crédulité même d'une vision optimiste du potentiel catalytique de l'ARN. Si vous en doutez, demandez-vous si vous pensez qu'un ribozyme réplicase apparaîtrait dans une solution contenant des nucléosides 5′-diphosphates et de la polynucléotide phosphorylase !

Si l'on accepte la notion d'un monde d'ARN, on est confronté au dilemme de la façon dont un tel système génétique a vu le jour. Dire que l'hypothèse du monde de l'ARN « résout le paradoxe de la poule et de l'œuf » est correct si l'on veut dire que l'ARN peut fonctionner à la fois comme une molécule génétique et comme un catalyseur qui favorise sa propre réplication. La réplication de l'ARN catalysée par l'ARN fournit une base chimique pour l'évolution darwinienne basée sur la sélection naturelle. L'évolution darwinienne est un moyen puissant de rechercher parmi un grand nombre de solutions potentielles celles qui répondent le mieux à un problème particulier. Une sélection basée sur une réplication d'ARN inefficace, par exemple, pourrait être utilisée pour rechercher parmi une population de molécules d'ARN les individus qui favorisent une réplication d'ARN améliorée. Mais ici, on rencontre un autre paradoxe de la poule et de l'œuf : sans évolution, il semble peu probable qu'un ribozyme auto-répliquant puisse apparaître, mais sans une certaine forme d'auto-réplication, il n'y a aucun moyen de mener une recherche évolutive du premier auto-réplicatif primitif. réplication du ribozyme.

Une façon dont l'évolution de l'ARN peut avoir commencé sans l'aide d'un catalyseur évolué pourrait être d'utiliser une synthèse dirigée non enzymatique pour permettre une certaine copie de l'ARN avant l'apparition du premier ribozyme de réplicase. Supposons que l'ensemble initial de monomères n'ait pas été produit par copolymérisation aléatoire, mais plutôt par une séquence de réactions non modélisées et modélisées (Fig. 2), et supposons en outre que les membres de l'ensemble initial de plusieurs structures tige-boucle puissent être répliqués, bien que inefficacement, par le processus dirigé par modèle. Cela aurait deux conséquences importantes. Premièrement, toute molécule ayant une fonction de réplicase qui apparaîtrait dans le mélange trouverait probablement dans son voisinage des molécules similaires et leurs compléments, liés par descendance, éliminant ainsi la nécessité de rencontrer deux réplicases non liées. Deuxièmement, une majorité de molécules dans le mélange contiendrait des structures tige-boucle. S'il est vrai que la fonction ribozyme est favorisée par une auto-structure stable, et si les séquences de bases des tiges dans les structures tige-boucle sont relativement peu importantes pour la fonction, ce modèle pourrait fournir un moyen économique de générer un ensemble relativement petit de séquences. qui est enrichi de séquences catalytiques.

Synthèse non enzymatique de structures multi-tiges-boucles à la suite de réactions sans modèle (tête de flèche ouverte) et avec modèle (tête de flèche remplie). La synthèse dirigée par matrice est supposée se produire rapidement chaque fois qu'une matrice, des monomères activés et une amorce appropriée sont disponibles. Une fois le brin complémentaire terminé, des résidus supplémentaires sont ajoutés lentement de manière aléatoire.

Dans quelle mesure l'hypothèse selon laquelle les réplicases pourraient agir sur des séquences similaires à elles-mêmes, tout en ignorant les séquences non liées, est-elle plausible ? Cette sélectivité pourrait être assurée en ségrégeant des molécules individuelles (ou lignées clonales) à la surface des grains minéraux, à la surface des micelles ou à l'intérieur des membranes. Des molécules étroitement liées pourraient être séparées en tant que groupe par des interactions spécifiques de liaison hydrogène (la famille qui colle ensemble, se réplique ensemble). Pour tout mécanisme de ségrégation, une sélection faible se produirait si les molécules de réplication sont suffisamment dispersées pour que la diffusion sur leur distance intermoléculaire soit lente par rapport à la réplication. Des simulations informatiques ont montré que dans de telles conditions de ségrégation, un bootstrap évolutif peut se produire, résultant en des génomes de plus en plus gros qui sont copiés avec une fidélité de plus en plus grande (Szabó et al. 2002). Alternativement, l'exigence de réplication de séquences apparentées, mais non sans rapport, pourrait être satisfaite grâce à l'utilisation de balises “genomic” (Weiner et Maizels 1987). Parmi les séquences auto-répliquantes, il est plausible que certaines soient limitées à la copie de molécules avec une sous-séquence 3'terminale particulière. Un réplicateur qui porterait par hasard une séquence terminale correspondant à la préférence de son site actif se répliquerait tout en ignorant ses voisins.

Une autre résolution du paradoxe de la façon dont l'évolution de l'ARN a été initiée sans l'aide d'un ribozyme évolué est d'abandonner la vision de l'ARN d'abord de l'origine de la vie et de supposer que l'ARN était ne pas la première molécule génétique (Cairns-Smith 1982 Shapiro 1984 Joyce et al. 1987 Joyce 1989, 2002 Orgel 1989, 2004a). Peut-être que la réplication de l'ARN est apparue dans le contexte d'un système en évolution basé sur autre chose que l'ARN (voir la section « Systèmes génétiques alternatifs » ?). Même si cela est vrai, tous les arguments concernant la relation entre la fidélité de la réplication et la longueur maximale autorisée du génome s'appliqueraient toujours à ce système génétique antérieur. Bien sûr, le défi pour ceux qui préconisent l'approche ARN-later est de montrer qu'il existe une entité informationnelle qui est prébiotiquement plausible et est capable d'initier sa propre réplication sans l'aide d'un catalyseur sophistiqué.

2.4. Fonction de réplication dans le monde de l'ARN évolué

Bien qu'il soit difficile de dire comment le premier ribozyme de réplicase d'ARN est né, il n'est pas difficile d'imaginer comment une telle molécule, une fois développée, fonctionnerait. La chimie de la réplication de l'ARN impliquerait la polymérisation dirigée par matrice d'oligonucléotides mono ou courts, en utilisant une chimie à bien des égards similaire à celle utilisée par les ribozymes contemporains du groupe I (Cech 1986 Been et Cech 1988 Doudna et Szostak 1989). Une différence importante est que, contrairement aux ribozymes du groupe I, qui reposent sur un groupe partant de nucléoside ou d'oligonucléotide, une réplicase d'ARN utiliserait plus probablement un groupe partant différent qui fournit une force motrice substantielle pour la polymérisation et qui, après sa libération, ne ne pas s'impliquer dans une réaction de transfert de phosphoester concurrente.

Des Ligases aux Polymérases

La polymérisation des nucléotides activés se déroule via une attaque nucléophile par le 3′-hydroxyle d'un oligonucléotide lié à la matrice au niveau du phosphore α d'un dérivé nucléotidique adjacent lié à la matrice (Fig. 3). Le nucléotide est activé pour l'attaque par la présence d'un substituant phosphoryle, par exemple un groupe phosphate, polyphosphate, alcoxyde ou imidazole. Comme discuté précédemment, les polyphosphates, tels que le pyrophosphate inorganique, sont les candidats les plus évidents pour le groupe partant. La réaction de condensation pourrait être assistée par une orientation favorable des groupes réactifs, la déprotonation du nucléophile 3&# x02032-hydroxyle, la stabilisation de l'état de transition trigonal-bipyramidal et la neutralisation de la charge du groupe partant. Toutes ces tâches peuvent être effectuées par l'ARN (Narlikar et Herschlag 1997 Emilsson et al. 2003), agissant soit seul (Ortoleva-Donnelly et Strobel 1999) soit à l'aide d'un cation métallique ou d'un autre cofacteur correctement positionné (Shan et al. 1999 Shan et al. 2001).

Attaque nucléophile par le 3&# x02032-hydroxyle d'un oligonucléotide lié à la matrice (N1–Nje) sur le phosphore α d'un mononucléotide adjacent lié à une matrice (Ni+1). Les lignes pointillées indiquent l'appariement des bases à un modèle complémentaire. R est le groupe partant.

La possibilité qu'un ribozyme de réplicase d'ARN ait pu exister a été clairement démontrée par des travaux impliquant des ribozymes qui ont été développés en laboratoire par évolution in vitro (Bartel et Szostak 1993 Ekland et al. 1995 Ekland et Bartel 1996 Robertson et Ellington 1999 Jaeger et al. al 1999 Rogers et Joyce 2001 Johnston et al 2001 McGinness et Joyce 2002 Ikawa et al 2004 Fujita et al 2009). Bartel et Szostak (1993), par exemple, ont commencé avec une grande population d'ARN à séquence aléatoire et ont développé le ribozyme d'ARN ligase 𠇌lass I”, dont une version optimisée a une longueur d'environ 100 nucléotides et catalyse la jonction de deux oligonucléotides liés à la matrice. La condensation se produit entre le 3′-hydroxyle d'un oligonucléotide et le 5′-triphosphate d'un autre, formant une liaison 3′,5′-phosphodiester et libérant du pyrophosphate inorganique. Cette réaction est classée comme ligature en raison de la nature des substrats oligonucléotidiques, mais implique la même transformation chimique que celle catalysée par les enzymes ARN polymérase modernes.

Les structures cristallines aux rayons X de deux ribozymes d'ARN ligase, les ligases L1 et de classe I mentionnées ci-dessus, ont été déterminées, donnant un aperçu des stratégies mécaniques que ces deux ribozymes structurellement et évolutivement distincts utilisent pour catalyser la même réaction (Robertson et Scott 2007 Shechner et al. 2009) (Fig. 4). Les deux structures cristallines capturent le produit de la réaction de ligature et offrent par conséquent une vue incomplète de la voie de réaction. Par exemple, le groupe partant pyrophosphate est absent des structures, de sorte qu'aucune conclusion ne peut être tirée concernant l'orientation potentielle assistée par ribozyme du triphosphate réactif ou la neutralisation de la charge du groupe partant pyrophosphate. Il existe cependant des informations concernant d'autres aspects du mécanisme de réaction qui peuvent être déduits des structures du produit.

Structure cristalline aux rayons X du (UNE) L1 ligase et (B) les ribozymes de ligase de classe I. Les encarts montrent les sites de liaison des ions magnésium putatifs aux jonctions de ligature respectives. Les structures sont rendues dans le continuum arc-en-ciel, avec l'extrémité portant le 5′-triphosphate du ribozyme colorée en violet et l'extrémité portant le 3′-hydroxyle du substrat colorée en rouge. Le phosphate à la jonction de ligature est représenté en blanc et l'ion magnésium proche (modélisé pour la ligase de classe I) est représenté par une sphère jaune, avec des lignes pointillées indiquant les contacts de coordination.

Les ligases L1 et de classe I dépendent toutes deux de la présence d'ions magnésium pour leur activité. Une caractéristique importante de la structure L1 (Fig. 4 A) implique un ion métallique lié dans le site actif, coordonné par trois oxygènes phosphates non pontants, dont l'un appartient au phosphodiester nouvellement formé reliant ce qui était à l'origine les deux substrats. Cet ion magnésium est favorablement positionné pour aider à neutraliser la charge négative accrue de l'état de transition et, potentiellement, pour activer le nucléophile 3′-hydroxyle et pour aider à orienter le α-phosphate pour un alignement en ligne plus optimal. Dans le cas de la structure de classe I ( Fig. 4 B), aucun ion métallique catalytique ne semble avoir été retenu à proximité du site actif, bien que deux ions magnésium participent à des interactions structurelles cruciales qui aident à façonner le site actif. architecture. Malgré l'absence d'observation directe d'un métal catalytique au site actif, il existe ce qui semble être un site de liaison au métal vide formé par deux oxygènes phosphates non pontants, positionnés directement en face de la jonction de ligature d'une manière similaire à celle observée pour la liaison au magnésium. site de la ligase L1 et rappelle l'arrangement observé dans les protéines polymérases. L'absence d'un métal dans la structure cristalline peut simplement être un artefact du processus de cristallisation ou peut impliquer un changement conformationnel local du produit qui défavorise la rétention du métal lié. Ces structures montrent que, malgré quelques lacunes dans la compréhension détaillée du fonctionnement de ces ribozymes, les informations disponibles indiquent une stratégie catalytique universelle, très similaire à celle utilisée par les ARN polymérases modernes à base de protéines.

Après son isolement en tant que ligase, il a été démontré que le ribozyme de classe I catalyse une réaction de polymérisation dans laquelle l'oligonucléotide portant le 5&#-triphosphate est remplacé par un ou plusieurs NTP (Ekland et Bartel 1996). Cette réaction se déroule avec une grande fidélité (q = 0,92), mais la vitesse de réaction chute fortement avec les additions successives de nucléotides.

Bartel et ses collègues ont effectué d'autres expériences d'évolution in vitro pour convertir la ligase de classe I en une véritable ARN polymérase qui fonctionne sur une matrice d'ARN distincte (Johnston et al. 2001). À l'extrémité 3 de la ligase de classe I, ils ont ajouté 76 nucléotides à séquence aléatoire qui ont évolué pour former un domaine accessoire qui aide à la polymérisation des NTP liés à la matrice. La réaction de polymérisation est applicable à une variété de séquences modèles, et pour les séquences bien comportées, elle se déroule avec une fidélité moyenne de 0,967. Cela serait suffisant pour supporter une longueur de génome d'environ 30 nucléotides, bien que le ribozyme lui-même contienne environ 190 nucléotides. Le ribozyme a un taux catalytique pour l'ajout de NTP d'au moins 1,5 min 𢄡, mais son Km est si élevé que, même en présence de concentrations micromolaires d'oligonucléotides et de concentrations millimolaires de NTP, il faut environ 2 h pour terminer chaque ajout de NTP (Lawrence et Bartel 2003). Le ribozyme fonctionne mieux dans des conditions de concentration élevée en Mg 2+, mais se dégrade dans ces conditions sur 24 h, période pendant laquelle il n'a pas ajouté plus de 14 NTP (Johnston et al. 2001).

Une optimisation supplémentaire du ribozyme polymérase à l'aide de techniques d'évolution in vitro hautement sophistiquées a conduit à des améliorations supplémentaires de ses propriétés biochimiques. En sélectionnant directement pour l'extension d'une amorce externe sur une matrice séparée, Zaher et Unrau (2007) ont pu améliorer la longueur maximale de la polymérisation dépendante de la matrice à 㸠 nucléotides, avec une vitesse ∼ trois fois plus rapide que celle de le parent pour les neuf premiers ajouts de monomères et jusqu'à 75 fois plus rapide pour les ajouts au-delà de 10 nucléotides. De plus, bien qu'il ne soit pas rigoureusement quantifié, le nouveau ribozyme affiche une fidélité considérablement améliorée, en particulier en ce qui concerne la discrimination contre les paires d'oscillation G•U. C'est cette fidélité améliorée qui semble être la source sous-jacente des améliorations observées de la longueur maximale d'extension et de la vitesse de polymérisation.

Un ribozyme d'ARN ligase différent peut fonctionner sur une matrice d'ARN distincte d'une manière largement séquentielle, et le fait avec un Km qui est au moins 100 fois inférieure à celle de la polymérase dérivée de classe I (McGinness et Joyce 2002). Cependant, son taux catalytique est également beaucoup plus faible et il est incapable d'ajouter plus d'un seul NTP. Encore un autre ribozyme d'ARN ligase peut fonctionner sur une matrice séparée à l'aide d'interactions tertiaires conçues qui « clampent » le complexe de substrat de la matrice au ribozyme (Ikawa et al. 2004). Mais c'est aussi un catalyseur relativement lent qui ne peut pas ajouter plus d'un seul NTP.

Un point de vue très pessimiste est que parce qu'il n'y a pas de ribozyme polymérase connu qui combine toutes les propriétés nécessaires pour maintenir sa propre réplication, un tel ribozyme n'est pas possible. Un point de vue plus équilibré est que l'ARN est clairement capable d'accélérer considérablement la polymérisation dépendante de la matrice des nucléosides 5′-polyphosphates. De tels ARN catalytiques peuvent fonctionner d'une manière séquentielle générale et avec une fidélité raisonnable. Il semble qu'il ne s'agisse que d'une question de temps (et probablement d'efforts considérables) avant d'obtenir des ribozymes de polymérase plus robustes. La nature n'a pas eu la possibilité de mener des expériences d'évolution soigneusement organisées en utilisant des réactifs hautement purifiés, mais s'est offerte le luxe de volumes de réaction beaucoup plus importants et de beaucoup plus de temps.

Réplication de l'ARN

Bien qu'il n'ait pas atteint l'objectif ultime d'un ribozyme d'ARN polymérase à usage général, un système de réaction robuste pour la réplication d'ARN catalysée par l'ARN a récemment été montré. Le système utilise une paire de ribozymes de ligase à réplication croisée qui catalysent chacun la formation de l'autre, en utilisant un mélange de quatre oligonucléotides substrats différents (Lincoln et Joyce 2009). Dans les mélanges réactionnels ne contenant que ces substrats d'ARN, MgCl2, et tampon, une petite quantité de départ de ribozymes donne naissance à de nombreux ribozymes supplémentaires par un processus d'amplification exponentielle catalysée par l'ARN. Chaque fois que les substrats s'épuisent, le processus de réplication peut être redémarré et maintenu indéfiniment en reconstituant l'approvisionnement en substrats.

Étant donné que les substrats sont reconnus par les ribozymes via des interactions d'appariement Watson-Crick spécifiques, des expériences d'évolution peuvent être réalisées en fournissant une variété de substrats qui ont différentes séquences dans ces régions de reconnaissance et différentes séquences correspondantes dans le domaine catalytique du ribozyme. La réplication de l'ARN a été réalisée avec une bibliothèque de 144 combinaisons de substrats possibles, résultant en l'émergence d'un ensemble de réplicateurs très avantageux qui comprenait des recombinants qui n'étaient pas présents au début de l'expérience. Jusqu'à l'avènement d'un ribozyme d'ARN polymérase à usage général, le système de ligases à réplication croisée offre la meilleure plate-forme pour étudier les propriétés biochimiques et le comportement évolutif d'un système réplicatif tout ARN.

Biosynthèse des nucléotides

L'activité de réplicase de l'ARN n'est probablement pas le seul comportement catalytique essentiel à l'existence du monde de l'ARN. Le maintien d'un approvisionnement adéquat des quatre nucléotides activés aurait été une priorité absolue. Même si l'environnement prébiotique contenait un grand réservoir de ces composés, le réservoir finirait par s'épuiser et une certaine capacité de biosynthèse des nucléotides aurait été nécessaire.

Des ribozymes ont été obtenus, par évolution in vitro, qui catalysent certaines des étapes de la biosynthèse des nucléotides. Unrau et Bartel (1998), par exemple, ont développé un ribozyme qui catalyse une réaction entre le 4-thiouracile et le 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPP) pour former le 4-thiouridylate (Fig. 5 A). Le 4-thiouracile est fourni gratuitement en solution et le PRPP est attaché à l'extrémité 3′ du ribozyme. Une forme optimisée de ce ribozyme, contenant 124 nucléotides, a une vitesse observée de 0,2 min 𢄡 en présence de 4 mM de 4-thiouracile (Chapple et al. 2003). C'est au moins 107 fois plus rapide que la vitesse de réaction non catalysée, qui est trop lente à mesurer. Unrau et ses collègues ont utilisé une approche similaire pour développer deux ribozymes différents qui catalysent la formation de 6-thioguanylate à partir de 6-thioguanine et de PRPP captif (Lau et al. 2004), ainsi qu'un troisième ribozyme de guanylate synthase qui est apparu comme une conséquence imprévue de une expérience d'évolution in vitro connexe (Lau et Unrau 2009). Les deux premiers ribozymes de guanylate synthase sont légèrement plus gros et ont une efficacité catalytique environ deux fois supérieure à celle du ribozyme d'uridylate synthase, bien que la synthèse de guanylate devrait avoir une vitesse de réaction non catalysée beaucoup plus élevée.

Réactions connues catalysées par l'ARN qui sont pertinentes pour la biosynthèse des nucléotides. (UNE) Formation de 4-thiouridylate à partir de 4-thiouracile libre et de 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate attaché au ribozyme. (B) 5′-phosphorylation d'un oligonucléotide en utilisant γ-thio-ATP comme donneur de phosphate. (C) Activation d'un nucléoside 5′-phosphate par formation d'une liaison 5′,5′-pyrophosphate. () Ligature dirigée par un modèle d'ARN entraînée par la libération d'un adénylate lié au 5 & # x02032,5 & # x 02032-pyrophosphate.

La synthèse catalysée par l'ARN de PRPP n'a pas été montrée, mais un ribozyme a été obtenu qui catalyse la 5′-phosphorylation d'oligonucléotides en utilisant γ-thio-ATP comme donneur de phosphate (Lorsch et Szostak 1994) ( Fig. 5 B ). Le ribozyme présente une augmentation de la vitesse d'environ 109 fois par rapport à la vitesse de réaction non catalysée. Une fois qu'un nucléoside 5&# x02032-phosphate s'est formé, il peut être activé par un autre ribozyme qui catalyse la condensation d'un nucléoside 5&# x02032-phosphate et d'un nucléoside attaché au ribozyme 5&# x02032-triphosphate (Huang et Yarus 1997) (Fig .5C). Cela se traduit par la formation d'une liaison 5′,5′-pyrophosphate, qui fournit un groupe partant de nucléotide activé qui peut entraîner une ligature d'ARN catalysée par l'ARN et dirigée par la matrice (Hager et Szostak 1997) (Fig. 5 D ).

Aucune de ces quatre réactions catalysées par l'ARN n'a précisément le bon format pour la réaction correspondante dans une voie hypothétique de biosynthèse des nucléotides dans le monde de l'ARN. Cependant, ils montrent que l'ARN est capable d'effectuer la chimie pertinente avec une amélioration substantielle de la vitesse catalytique. Il reste à voir si des ribozymes peuvent être développés pour catalyser la formation des éléments constitutifs fondamentaux de l'ARN, du d-ribose et des quatre bases nucléotidiques, en utilisant des matériaux de départ qui auraient été abondants sur la Terre primitive.


Les scientifiques ont-ils enfin créé la vie ?

Soi-disant, les scientifiques l'ont finalement fait. "Les scientifiques créent une vie synthétique en laboratoire" claironnait l'Associated Press. BBC News a annoncé une « percée dans la vie artificielle ». « Les scientifiques créent la première vie synthétique auto-réplicable », a proclamé Wired Science.

Après plus d'un siècle d'essais et d'erreurs, les scientifiques disent avoir enfin créé la vie. Mais les scientifiques ont-ils vraiment réfuté la loi de la biogenèse ? La vie peut-elle venir de quelque chose d'autre que la vie ? Cela peut-il provenir d'un tube à essai?

Le 21 mai, le le journal Wall Street a déclaré que l'humanité est potentiellement entrée dans une "nouvelle ère de la biologie". Pour la première fois, les scientifiques « ont créé une cellule synthétique, entièrement contrôlée par des instructions génétiques artificielles », a-t-il rapporté.

"C'est littéralement un tournant dans la relation entre l'homme et la nature", a déclaré un biologiste moléculaire. "Pour la première fois, quelqu'un a généré une cellule artificielle entière avec des propriétés prédéterminées."

Le chef du projet, Craig Venter, a déclaré : « Ce sont des cellules bien réelles » tout en étant « des inventions assez clairement humaines ».

Les scientifiques ont pris l'ADN d'une bactérie unicellulaire très simple, Mycoplasme capricolum. À l'aide d'un ordinateur, ils ont déchiffré plus d'un million de combinaisons des quatre molécules qui composent son ADN (cytosine, guanine, adénine, thymine).

Les scientifiques ont ensuite ajouté des lots fabriqués en laboratoire de ces quatre molécules à des cellules de levure, en assemblant une copie exacte de Mycoplasma capricolum’s ADN. Pour prouver qu'ils avaient créé leur propre copie synthétique de l'ADN, l'équipe de Venter a ajouté un code non fonctionnel supplémentaire au génome de la bactérie. Ils ont écrit leurs noms et une citation du poète James Joyce – « Vivre, se tromper, tomber, triompher, recréer la vie à partir de la vie » – dans le code génétique.

Ils ont ensuite retiré le matériel génétique d'une deuxième espèce de bactérie étroitement apparentée et ont substitué l'ADN fabriqué.

Après de multiples échecs, les scientifiques ont finalement induit les bactéries nouvellement imprégnées non seulement à se développer, mais à se reproduire. Les nouvelles cellules de la descendance ont adopté les caractéristiques des bactéries à partir desquelles l'ADN a été copié.

C'était un accomplissement incroyable pour être sûr. Et après 40 millions de dollars dépensés et 15 ans de déceptions et d'échecs (l'expérience a échoué une fois parce qu'une seule paire de bases sur le million et plus avait été incorrectement copiée), vous pouvez comprendre pourquoi ces scientifiques seraient ravis.

Et si cette expérience est aussi importante que certains le prétendent, cela établit un nouveau niveau d'accomplissement humain. Déjà, les grands sous-traitants de la défense et les compagnies pétrolières sont impatients de profiter de la nouvelle technologie. Les scientifiques affirment que les organismes créés par l'homme seront un jour utilisés pour tout faire, du nettoyage des déversements de pétrole à la production de biocarburant, en passant par la fabrication de vaccins et la capture des gaz à effet de serre. D'autres scientifiques avertissent que la nouvelle technologie laisse présager une nouvelle étape vers l'annihilation humaine grâce à des armes biologiques imbattables.

La Maison Blanche est également entrée dans l'action. Jeudi dernier, le président Obama a demandé à la Commission présidentielle pour l'étude des questions bioéthiques d'étudier les implications de cette « étape scientifique ».

Mais avec tout le battage autour de l'annonce, ne négligez pas les faits. Les scientifiques n'ont jamais réellement créé une nouvelle vie ! Ils ne se sont même pas rapprochés.

Premièrement : le code génétique « créé » par les scientifiques était en réalité une copie du code d'une bactérie existante. Il n'y avait rien de nouveau à ce sujet. Les scientifiques ont ajouté du matériel supplémentaire à l'ADN (leurs noms et la citation), mais c'était du matériel inutile pour la bactérie. Ce serait comme un programmeur informatique insérant sa citation de film préférée ou sa date de naissance dans un code logiciel. Il est là, mais il ne fait rien.

Deuxièmement : l'ADN copié a été inséré dans une autre bactérie vivante. Les scientifiques n'ont «créé» aucun des organites - la membrane cellulaire, le cytoplasme, etc. - de cette seconde bactérie non plus.

Alors qu'est-ce que les scientifiques ont fait exactement créer?

Rien. Ils ont copié, ils ont manipulé, ils ont forcé la nature de manière non naturelle, mais ils n'ont pas créé la vie !

La loi de la biogenèse tient toujours ! La vie ne peut venir que de la vie.

La vie ne peut pas provenir de matériaux morts. En fait, il ne peut même pas être créé lorsqu'une équipe de concepteurs intelligents avec des superordinateurs et des millions de dollars prennent des matériaux vivants et essaient de assembler un petit Frankenstein.

Depuis Louis Pasteur et Francesco Redi, les scientifiques savent que la vie ne peut venir que de la vie. Elle est inscrite dans la plus rare de toutes les classifications scientifiques : une loi. Et c'est celui qui afflige les évolutionnistes.

Dans un effort pour soutenir la théorie de l'évolution, les scientifiques ont essayé de concevoir une manière dont la vie pourrait se générer spontanément à partir de matériaux inorganiques et non vivants. (Et même pas interroger d'où viennent les matériaux.) Acceptez simplement qu'il y avait une soupe primordiale d'eau et de produits chimiques qui existait sur Terre il y a des milliards d'années. À un moment donné, pour une raison inconnue – un éclair ou une éruption volcanique, ou simplement un hasard aveugle – les produits chimiques se sont unis en un organisme vivant capable de capturer de l'énergie, de croître et de se reproduire. Soi-disant, pendant des milliards d'années, cet organisme a non seulement survécu aux volcans et aux éclairs ultérieurs, mais - peut-être des millions d'années plus tard - a accidentellement muté son code génétique créé accidentellement de manière accidentellement positive - des millions et des milliards de fois - jusqu'à ce que finalement des humains et des milliards d'autres organismes incroyablement divers, interdépendants, durables et prospères ont vu le jour - pour aucune autre raison que de vivre puis de mourir.

Regardez l'effort herculéen qu'il a fallu aux scientifiques pour simplement apprendre à copie l'ADN existant de l'un des organismes unicellulaires les plus simples et minuscules, et le faire fonctionner dans une autre cellule pratiquement identique.

Cette seule équipe a passé 15 ans du travail quotidien, en utilisant la technologie la plus avancée disponible dans un environnement de laboratoire idéal et contrôlé, et en tirant parti de produits chimiques hautement raffinés, spécifiques et d'ingénierie inverse fournis par des scientifiques travaillant dans d'autres entreprises. Et tous ces efforts et cette compréhension ont été rendus possibles par le travail et la découverte de siècles d'autres scientifiques avant eux.

La cellule bactérienne sur laquelle les scientifiques ont travaillé avait un chromosome. Les humains ont 46 chromosomes. Certaines plantes sur Terre ont plus de 1 000 chromosomes. Et que s'est-il passé lorsque les scientifiques se sont trompés sur une seule lettre des plus d'un million de codes sur le chromosome de l'ADN ? La cellule est morte. Il n'y a pas eu de reproduction. Il n'y avait pas de vie.

Demandez à n'importe quel programmeur informatique ce qui se passe lorsqu'il écrit accidentellement une mauvaise lettre dans son code.

Il y a des millions, peut-être des milliards d'ordinateurs sur cette Terre. Combien de fois avez-vous entendu parler de la mutation d'un logiciel informatique et de quelque chose de bien en résultant ?

Mais même si une ligne de code informatique muté au hasard et produisait quelque chose de bénéfique de manière inattendue, quelles sont les chances qu'une autre mutation bénéfique se produise ? Et puis encore et encore, des milliards de fois jusqu'à ce que l'ordinateur devienne non seulement un ordinateur plus intelligent, mais une automobile ou un porte-avions nucléaire ?

Et quelles sont les chances que ce soit un paquet de désordre illisible ?

Pourtant, les évolutionnistes voudraient vous faire croire que la vie, avec toute sa complexité, pourrait naître à partir de composés non vivants, puis commencer à se reproduire et à muter de manière aléatoire en des organismes plus avancés.

Comme le disait James Joyce : « Vivre, se tromper, tomber, triompher, recréer la vie hors de la vie.


Des solutions ou simplement des expériences de pensée ?

Les laïcs éviteront la discussion sur l'abiogenèse car il s'agit en grande partie d'une boîte noire et ils n'ont pas de vraies réponses pour cela. Ils commencent plutôt leur version du continuum évolutif au premier organisme répliquant [7] [8] [9] qu'ils confessent librement est un organisme très complexe. Il doit au minimum : répliquer, absorber les aliments, éliminer les déchets et produire de l'énergie. Cette dernière fonction, pour produire de l'énergie, est la "monnaie de vie" ATP présente dans chaque cellule vivante de la Terre. Le moteur ATP Synthase [10] est un moteur moléculaire complexe mesurant moins de 40 nm de diamètre.

Alors que de nombreux créationnistes peuvent engager une discussion sur l'évolution avec un laïc en termes de « molécules à l'homme », le penseur évolutionniste raccourcira considérablement ce délai et commencera par le « premier génome répliquant ». Cela ne représente rien de plus qu'une expérience de réflexion préalable, pas un produit d'intégrité scientifique. N'importe qui peut se tenir sur les épaules du génie et crier victoire. Que le laïc utilise cette expérience de pensée comme point de départ est arbitrairement incohérent. Ils admettent essentiellement que l'origine de la vie est trop complexe pour être discutée et que le récit de l'évolution doit être mis en avant avec une forme de vie complexe. La question n'est pas d'où vient cette forme de vie mais plutôt pourquoi pensez-vous que de telles fables imaginatives sont en fait de la science?

Il ne reste aucun processus connu agissant dans la nature pour produire la vie à partir de la non-vie, par conséquent, l'abiogenèse existe hors du domaine de la science empirique. De plus, l'extrême complexité de toutes les formes de vie semble pointer dans le sens d'une Intelligence établie en dehors de la nature. L'Intelligence a conçu la vie pour qu'elle soit gouvernée par les mécanismes ou processus naturels observés qui permettent la diversité. C'est peut-être pourquoi Francis Crick (l'un des découvreurs de l'ADN) et Leslie Orgel (un microbiologiste) ont proposé la théorie de panspermie dirigée: la croyance que la vie est venue de l'espace sur Terre. L'origine de l'énigme de la vie a amené les scientifiques à théoriser que la vie pourrait avoir commencé sur une autre planète (Voir : Panspermie). La théorie connaît actuellement un renouveau et une grande partie des recherches actuellement en cours par la NASA visent à découvrir des signes de vie sur d'autres planètes, comme Mars.

Cependant, si des microbes (ou des preuves de microbes) sont trouvés dans l'espace, ce n'est pas une preuve de vie en dehors de la Terre. Pendant le déluge, il est présumé que le fontaines du grand abîme avait une puissance explosive énorme et a livré une partie importante de la masse de la Terre dans l'espace extra-atmosphérique, emportant potentiellement des microbes avec elle. Une preuve latente de cette perte de masse est la vitesse de rotation actuelle de la Terre, marquant plus de 365 jours par an. Avant le déluge, Genèse 7, 8 et 9 fournissent un récapitulatif détaillé des jours impliqués. On peut compter douze mois de trente jours chacun, pour un grand total de 360 ​​jours. Si la Terre perdait une masse significative lors du Déluge, cela réduirait sa circonférence totale et augmenterait également sa vitesse de rotation (tout comme une patineuse artistique peut tourner plus vite en rétractant ses bras). Tout comme toutes les cultures du monde adhèrent à une semaine de sept jours, de même pour toutes les cultures mesurent un cercle en termes de 360 ​​degrés. Il n'y a aucune raison astronomique ou autre objective d'utiliser l'un ou l'autre. Il est clair que la semaine de sept jours est un vestige de la semaine de création d'origine, et 360 degrés pour un cercle est un vestige du calendrier d'avant le déluge.


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