Première vie et vie suivante

Le conducteur a coupé le moteur de son transporteur de troupes grondantes de l'armée russe au bord d'un profond canyon creusé par un ruisseau d'eau de fonte glaciaire. Notre petit groupe de recherche, qui comprenait les étudiants diplômés de Stanford Jamie et Meaghan, les post-doctorants Jan et Jake de la Carnegie Institution de Washington et notre guide, Vladimir, est descendu du camion pour un tronçon de bienvenue après cinq heures de route difficiles depuis Petropavlovsk. Ensuite, nous avons épaulé nos sacs et avons commencé à grimper, craquant sur la neige tassée et la glace entre des rochers de la taille d'une maison. Lorsque nous nous sommes arrêtés pour respirer et avons regardé en arrière en descendant, nous avons pu voir les coulées de cendres et de lave des éruptions passées érodées dans les collines et les vallées, avec des parcelles éparses d'arbustes bas dans des zones abritées bien en dessous. Le paysage volcanique déchiqueté du Kamtchatka définissait l'horizon. Au-dessus de nous se dressait notre objectif : le pic foudroyé du mont Mutnowski, un volcan qui était entré en éruption quelques années auparavant.

Deux heures plus tard et 2000 pieds plus haut, nous avons regardé par-dessus le bord du cratère. Il était difficile de saisir le chaos sous nos pieds. Il n'y avait rien de vivant dans ce paysage de roche noire et grise à part notre équipe de six. Un petit glacier de l'autre côté fondait dans le cratère, et des rugissements lointains émanaient du plus profond de l'intérieur alors que la vapeur montait dans le ciel bleu. La terre, l'air, le feu et l'eau, pensais-je, les éléments anciens, réunis ici dans l'extrême est de la Russie, agités par l'énergie thermique laissée depuis le début de l'histoire de notre planète. À l'exception du glacier, cet endroit semblait être un vestige de cette époque – un modèle de ce qu'était la Terre il y a quatre milliards d'années, avant que la vie ne commence. Nous sommes descendus dans le cratère, portant parfois des masques à gaz pour protéger nos poumons contre les gaz caustiques.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2009

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Mon travail de terrain au Kamchatka a été soutenu par une subvention de la NASA, et notre objectif principal était de mieux comprendre les conditions géochimiques liées à l'origine de la vie sur Terre et peut-être sur Mars. Des publications antérieures dans des revues en langue russe avaient signalé que des composés organiques, y compris des acides aminés, étaient présents dans les sources et les vapeurs bouillantes des volcans du Kamtchatka. Tout le monde s'accorde à dire que l'origine de la vie nécessitait une source de composés organiques, mais personne ne sait vraiment quelle a pu être la source principale. Une possibilité est que la plupart des composés ont été produits par synthèse géochimique dans les régions volcaniques au début de l'histoire de la Terre, et ce serait une véritable percée si nous pouvions détecter des réactions similaires dans les volcans aujourd'hui.

Le deuxième objectif était essentiellement de couvrir mon pari. Et si nous allions jusqu'au Kamtchatka et ne trouvions aucun composé organique ? Ce serait gênant. Pour cette raison, j'ai apporté un mélange de composés similaires à ceux que nous pensions avoir été disponibles il y a quatre milliards d'années pour relancer la vie : quatre acides aminés, un acide gras, du phosphate, du glycérol et les quatre bases de l'acide nucléique. Nous savions que dans des conditions de laboratoire, ces composants peuvent réagir pour produire des composés plus complexes liés aux structures moléculaires et aux fonctions caractéristiques de la vie. J'ai proposé de les ajouter à une piscine volcanique pour voir ce qui se passerait. La plupart de mes collègues pensent que ce genre d'expérience est un peu idiot parce que les conditions sont tellement incontrôlées, mais je considère cela comme un test de réalité. Nous pouvons obtenir des réactions intéressantes en travaillant en laboratoire, mais que se passe-t-il si nous oublions quelque chose qui ne devient apparent que lorsque nous essayons de simuler ces réactions dans un environnement naturel ?

Symbiose et biologie synthétique
Quand j'ai commencé à entendre le terme astrobiologie il y a quelques années, cela sonnait étrangement discordant. Et puis une autre nouvelle discipline est apparue encore plus exagérée : la biologie de synthèse . Mais c'est ainsi que la science progresse - par une sorte de symbiose entre des disciplines apparemment sans rapport, dans lesquelles la biologie et la chimie traditionnelles deviennent la biochimie, et la biologie et la physique deviennent la biophysique. J'ai commencé ma carrière en faisant des études biophysiques traditionnelles sur les membranes, mais maintenant certaines de mes recherches sont financées par le programme d'astrobiologie de la NASA, et nombre de nos expériences pourraient être décrites comme de la biologie synthétique : l'application de techniques d'ingénierie pour concevoir ou reconcevoir des fonctions et des systèmes biologiques.

Le domaine de la biologie synthétique est chaud en ce moment, car ses méthodes sont potentiellement très puissantes. Les biologistes synthétiques en savent assez sur les systèmes vivants pour modifier les programmes génétiques de manière utile, de la même manière que les programmeurs informatiques experts modifient les logiciels. Mais qu'est-ce que cette science de pointe a à voir avec les volcans et l'origine de la vie ? Louis Pasteur a dit un jour que le hasard favorise les esprits préparés ; très souvent, même la recherche la plus fondamentale produit une application insoupçonnée. Par exemple, l'un des outils les plus puissants de la biologie moléculaire est la réaction en chaîne par polymérase (PCR), qui est utilisée pour amplifier l'ADN, c'est-à-dire pour faire plusieurs copies d'une séquence donnée. Dans la PCR, les cycles de chauffage et de refroidissement se combinent avec la synthèse d'ADN par une polymérase, une enzyme qui catalyse la construction de grosses molécules (polymères) à partir de petites molécules (monomères). Kary Mullis a eu l'idée en 1983, en utilisant d'abord une polymérase de l'ordinaire E. coli bactéries, mais une polymérase était nécessaire qui pourrait survivre à des températures proches de l'ébullition. En 1965, dans le cadre de recherches totalement indépendantes, Thomas Brock a découvert une bactérie primitive, qu'il a nommée Thermus aquatique , vivant dans les sources chaudes volcaniques du parc national de Yellowstone. Cet organisme est la source originale de la résistance à la chaleur Taq polymérase maintenant utilisée dans tous les appareils PCR commerciaux.

Si nous suivons les conseils de Pasteur, nous pouvons augmenter les chances d'autres découvertes aussi fortuites. En particulier, nous pouvons préparer nos esprits en élargissant le champ de la biologie synthétique pour englober les études sur l'origine de la vie. Je commencerai par décrire la version naturelle de la biologie synthétique ; Ensuite, je montrerai comment notre compréhension croissante des mécanismes moléculaires de la vie suggère un moyen de reproduire l'origine de la vie en laboratoire.

Première vie : la biologie synthétique à l'état sauvage
Pour aborder la question de l'origine de la vie, nous devons avoir une idée de ce qu'était la Terre il y a quatre milliards d'années. Il existe de bonnes preuves que les océans étaient déjà présents, antérieurs à la vie de plusieurs centaines de millions d'années. Les océans étaient salés, probablement un peu acides, avec des masses terrestres volcaniques s'élevant au-dessus du niveau de la mer. Les précipitations sur ces îles ont produit des étangs d'eau douce, de sorte qu'un environnement marin n'est pas le seul dans lequel la vie aurait pu commencer. L'atmosphère était un mélange de dioxyde de carbone et d'azote, avec peu ou pas d'oxygène, et la température mondiale moyenne était de 60 à 70 °C, bien plus élevée que les 15 °C actuels. Ainsi, les premières formes de vie ressemblaient probablement aux bactéries thermophiles qui habitent aujourd'hui les sources chaudes.

Comment la vie a-t-elle pu commencer dans un environnement aussi peu prometteur ? Charles Darwin s'est parfois interrogé à ce sujet, bien qu'il soit trop conservateur pour spéculer en public sur l'origine de la vie. Dans une lettre privée à son ami Joseph Hooker, il écrit : Mais si (et Oh ! quel grand si !) nous pouvions concevoir dans un petit étang chaud, avec toutes sortes d'ammoniac et de sels phosphoriques, de la lumière, de la chaleur, de l'électricité, etc. ., présent, qu'un composé protéique a été formé chimiquement prêt à subir des changements encore plus complexes, à l'heure actuelle une telle matière serait instantanément dévorée ou absorbée, ce qui n'aurait pas été le cas avant la formation des créatures vivantes. Et son grand livre Sur l'origine des espèces aborde la question en une seule phrase : En regardant la première aube de la vie, quand tous les êtres organiques, comme on peut le croire, présentaient la structure la plus simple, comment, a-t-on demandé, le les premières étapes de l'avancement ou de la différenciation des pièces sont-elles survenues ?

De façon moins éloquente, que faudrait-il pour que l'évolution de la vie commence ? Tout d'abord, l'évolution fonctionne sur des populations, pas sur des organismes isolés, nous devons donc trouver un moyen de générer un grand nombre de systèmes moléculaires dans l'environnement prébiotique. De plus, il doit y avoir une grande variation dans leurs propriétés. L'exigence de variation au sein d'une population signifie que les premières formes de vie capables d'évolution ne pourraient pas être des mélanges aléatoires de molécules répliquantes incapables de s'assembler en entités discrètes ; au lieu de cela, ils seraient des systèmes de molécules en interaction encapsulées dans quelque chose comme une cellule.

Un laboratoire, en quelque sorte : L'auteur échantillonne des fumerolles bouillantes dans le cratère du mont Mutnowski, au Kamchatka, en Russie

Les systèmes devraient présenter les deux fonctions principales de la vie : la croissance et la reproduction. Les cellules se développent en absorbant des nutriments, de simples molécules de l'environnement. Ils utilisent de l'énergie pour lier ces molécules aux polymères que nous appelons protéines et acides nucléiques. La reproduction nécessite un mécanisme par lequel l'information génétique peut être stockée puis répliquée, de sorte que l'information, sous forme de gènes, puisse être transmise. Mais le transfert d'informations est nécessairement imparfait. Un certain nombre d'erreurs – des mutations – doivent se produire pour produire des variations dans la population telles que celles qui ont permis à la vie primitive d'explorer différentes niches et de commencer à évoluer vers la magnifique biosphère de la Terre d'aujourd'hui.

Nous parlons de formes de vie beaucoup plus simples que même les bactéries les plus primitives qui existent actuellement. Pourtant, comment des cellules de toute nature pourraient-elles apparaître spontanément à partir de mélanges aléatoires de molécules organiques simples ? La perspective est si ahurissante que quelques scientifiques déclarent catégoriquement que nous ne comprendrons jamais comment cela s'est produit. Je suis plus optimiste. Mais tenter de découvrir comment la vie a commencé est un travail difficile, sans aucune certitude que nous trouverons jamais des réponses. Nous devons formuler et tester des hypothèses, et être prêts à nous aventurer dans un vaste territoire inexploré. Je décrirai brièvement quelques-uns des jalons de ce voyage. Au fur et à mesure que nous les reconnaissons, nous pouvons commencer à assembler une cage logique qui limite la spéculation et nous guide vers des réponses.

Première étape : une source de monomères organiques
Les quatre variétés de base de biomolécules sont les acides aminés et les protéines, les glucides, les acides nucléiques et les lipides. Il ne fait guère de doute que des composés organiques similaires, voire identiques, étaient présents dans l'environnement prébiotique. C'était la conclusion de la célèbre expérience de Stanley Miller au début des années 1950 dans laquelle il exposait des mélanges de gaz ordinaires à des décharges électriques et observait la formation d'acides aminés. Depuis lors, pratiquement tous les composés carbonés primaires de la vie ont été synthétisés dans des simulations prébiotiques.

Les résultats des études de simulation ont été fortement étayés lorsqu'une météorite remarquable est tombée sur Terre près de Murchison, en Australie, en septembre 1969. Il était clair que la météorite contenait de la matière organique, car une odeur étrange se dégageait des surfaces chaudes. Quarante ans plus tard, lorsque je broie des échantillons de Murchison en laboratoire, la même odeur s'échappe du mortier – à la fois poussiéreuse, huileuse et aigre. Il s'agit d'une odeur ancienne, plus ancienne que la Terre elle-même, conservée pendant cinq milliards d'années dans une comète ou un astéroïde dont est issue la météorite d'origine.

Des milliers de composés organiques présents dans la météorite de Murchison et d'autres météorites carbonées ont été analysés, ce qui confirme l'expérience de Miller en montrant que les composés organiques biologiquement pertinents sont en fait produits par des processus non biologiques. Cela rend plausible la présence de composés organiques sur la Terre prébiotique, soit synthétisés par des processus géochimiques, soit livrés sous forme de chutes météoritiques et cométaires il y a plus de quatre milliards d'années.

Deuxième étape : l'auto-assemblage des compartiments et des protocellules
L'unité de toute vie aujourd'hui est la cellule. Ma formation en recherche est en biophysique membranaire, et j'ai commencé ma carrière en étudiant les membranes lipidiques qui sont les frontières essentielles définissant les cellules vivantes. Il y a vingt ans, lorsque j'ai obtenu une pierre de la taille d'une balle de golf de la météorite de Murchison, je voulais voir si quelque chose ressemblant à des lipides était présent dans le mélange de matières organiques météoritiques, peut-être éclairant comment la vie est devenue cellulaire.

Dans des recherches antérieures, j'avais souvent utilisé un mélange de chloroforme et de méthanol pour extraire les lipides d'une variété de matériaux biologiques, tels que les globules rouges, les chloroplastes, les mitochondries et même les jaunes d'œufs, le dernier étant une riche source d'un phospholipide appelé lécithine. Et en 1975, j'avais passé un congé sabbatique dans le laboratoire d'Alec Bangham, qui a découvert dans les années 1960, travaillant dans un institut de recherche près de Cambridge, en Angleterre, que la lécithine pouvait s'auto-assembler spontanément en sacs membraneux, ou vésicules, qui sont venus à être appelés liposomes. J'ai maintenant utilisé le mélange chloroforme-méthanol pour isoler les composés d'échantillons de la pierre de Murchison, puis j'ai utilisé une procédure chromatographique pour purifier ceux qui pourraient être capables de s'auto-assembler en membranes. Le panneau de gauche de la figure de la page 71 montre ce qui s'est passé lorsque quelques microgrammes de l'extrait ont été séchés sur une lame de microscope et exposés à l'eau pour simuler les cycles de mouillage et de séchage qui auraient été fréquents sur la Terre primitive. Les résultats étaient très excitants. Non seulement des molécules lipidiques étaient présentes dans le mélange, mais elles s'auto-assemblaient facilement en vésicules de la taille d'une cellule.

Lorsque nous avons analysé le mélange de matières organiques météoritiques, nous avons découvert que certains des composés étaient des acides gras à chaîne courte, des molécules semblables à du savon qui comportent une queue de 9 à 13 atomes de carbone. Cela signifiait que nous n'avions plus besoin de matériel provenant de précieuses météorites pour effectuer des expériences ; nous pourrions étudier les propriétés des composés purs achetés auprès de sociétés de fourniture de produits chimiques. Nous avons commencé avec l'acide décanoïque, un acide gras à 10 carbones, et avons constaté qu'il produisait facilement des vésicules similaires à celles produites par les extraits de météorite. La question suivante était de savoir si de tels compartiments pouvaient encapsuler des molécules plus grosses pour produire des protocellules, qui sont définies comme des systèmes encapsulés de molécules, comme l'ARN, qui ont le potentiel d'agir comme catalyseurs et porteurs d'informations génétiques. Cela s'avère si facile que cela pourrait être fait pour une expo-sciences au secondaire. Si les vésicules microscopiques sont mélangées à de grosses molécules comme des protéines ou des acides nucléiques, puis soumises à un cycle sec-humide, environ la moitié des grosses molécules se retrouvent à l'intérieur des vésicules. Les vésicules lipidiques rougeoyantes montrées dans le panneau de droite de la micrographie sont composées d'acide décanoïque entourant les molécules d'ADN.

L'essentiel est que les protocellules sont très faciles à produire par de simples processus d'auto-assemblage. Il s'ensuit que de telles structures devraient également se produire dans un environnement prébiotique.

Troisième jalon : la synthèse des polymères
Toute vie aujourd'hui utilise des enzymes pour catalyser la synthèse de polymères. Et presque toutes les molécules polymériques de la vie, y compris les protéines et les acides nucléiques, sont synthétisées à partir de monomères chimiquement activés, c'est-à-dire qu'ils acquièrent l'énergie nécessaire pour subir une polymérisation, grâce à des processus métaboliques complexes qui extraient l'équivalent d'une molécule d'eau de chacun. Les ribosomes relient les acides aminés activés par des liaisons peptidiques pour produire des protéines, et des enzymes appelées polymérases catalysent la formation de liaisons ester entre les nucléotides activés pour produire des acides nucléiques.

Rien d'aussi compliqué n'aurait pu se produire avant le début de la vie, mais une variété de réactions plus simples peuvent également produire des polymères intéressants. Par exemple, James Ferris, du Rensselaer Polytechnic Institute de New York, a montré qu'un minéral argileux appelé montmorillonite favorise la synthèse d'ARN polymérique à partir de nucléotides activés. Les surfaces minérales adsorbent et organisent les nucléotides, qui se transforment ensuite en polymères. De plus, une fois que les molécules d'ARN sont formées, elles peuvent subir une sorte de processus de réplication limité qui ne nécessite pas d'enzymes. Leslie Orgel et ses associés du Salk Institute ont démontré dans les années 1980 que les monomères nucléotidiques chimiquement activés s'alignent sur des matrices d'ARN synthétiques par appariement de bases Watson-Crick, comme ils le font dans la double hélice d'ADN, puis polymérisent en un deuxième brin d'ARN. .

Les observations séminales d'Orgel, Ferris et d'autres suggèrent clairement que quelque chose comme l'ARN pourrait avoir été le premier polymère à être associé aux processus vitaux. Des preuves supplémentaires ont été fournies lorsque Thomas Cech à l'Université du Colorado et Sidney Altman à Yale ont découvert que certains types d'ARN avaient des propriétés catalytiques, une découverte pour laquelle ils ont partagé un prix Nobel. De telles molécules d'ARN, maintenant appelées ribozymes, peuvent créer et rompre des liaisons chimiques spécifiques au sein de leur propre structure plutôt que de dépendre d'enzymes protéiques. La découverte de l'ARN catalytique a conduit le chimiste lauréat du prix Nobel Walter Gilbert à Harvard à proposer un monde de l'ARN, affirmant que la vie n'a pas commencé avec les systèmes complexes d'ADN, d'ARN et de protéines qui caractérisent toute vie aujourd'hui. Au lieu de cela, les molécules d'ARN auraient pu servir de catalyseurs ainsi que stocker et transmettre des informations génétiques. Le concept RNA World domine la réflexion actuelle sur l'origine de la vie. Des groupes de recherche dirigés par Gerald Joyce au Scripps Research Institute, David Bartel au Whitehead Institute et Peter Unrau à l'Université Simon Fraser tentent d'incorporer l'ARN dans un système de molécules auto-répliquant. De manière significative, ils utilisent souvent une technique dans laquelle des principes évolutifs sont utilisés pour sélectionner des activités catalytiques spécifiques à partir de mélanges contenant des milliards de molécules d'ARN différentes.

Cela nous amène à la prochaine étape.

Plus vieux que terre ! : Lorsque l'auteur a extrait certaines molécules d'une météorite vieille de cinq milliards d'années et les a laissées se mouiller, elles se sont auto-assemblées en vésicules ressemblant à des cellules (à gauche). Il a également découvert que l'acide décanoïque, un acide gras présent dans la météorite, forme facilement des vésicules similaires, capables d'encapsuler l'ADN (brillant, à droite).

Quatrième étape : l'évolution des catalyseurs
L'information génétique peut-elle émerger d'une manière ou d'une autre dans des mélanges aléatoires, essentiellement par hasard ? Si la réponse est non, alors nous avons des ennuis, car ceux d'entre nous qui travaillent sur l'origine de la vie prétendent que c'est exactement ce qui s'est passé il y a quatre milliards d'années, lorsque les premières formes de vie ont émergé d'un mélange stérile de minéraux, les gaz atmosphériques et les solutions diluées de composés organiques. Pour répondre à cette question, je vais revisiter une expérience classique que David Bartel et Jack Szostak ont ​​publiée en 1993, alors que Bartel était étudiant diplômé dans le laboratoire de Szostak. Leur expérience est moyennement compliquée, mais le résultat est si important qu'il vaut la peine d'être expliqué ici. L'objectif était de voir si un système de molécules complètement aléatoire pouvait subir une sélection évolutive de telle sorte que des molécules ayant des propriétés catalytiques puissent évoluer. La première étape consistait à synthétiser des milliards de molécules d'ARN différentes constituées d'environ 300 nucléotides, disposées en séquences aléatoires. Bartel et Szostak ont ​​estimé qu'enfouis dans ces milliers de milliards se trouvaient quelques ribozymes qui se sont avérés catalyser une réaction de ligature, dans laquelle un brin d'ARN est lié à un deuxième brin. Ils ont développé une procédure qui a capturé ces molécules rares même si elles n'ont catalysé que faiblement la réaction. Ensuite, ils ont utilisé des enzymes pour les amplifier. Les séquences amplifiées ont été soumises à un autre cycle de sélection et d'amplification, et le processus a été répété pendant 10 cycles.

Les résultats étaient bluffants. Une activité catalytique accrue a commencé à apparaître après quatre cycles, et après 10 tours, le taux de catalyse était sept millions de fois le taux non catalysé ! Il était même possible de voir évoluer l'ARN. Les acides nucléiques peuvent être marqués avec du phosphate radioactif, puis séparés et visualisés grâce à une technique appelée électrophorèse sur gel. Un mélange de molécules d'ARN est placé au sommet d'un gel et une tension de plusieurs centaines de volts est appliquée, ce qui provoque la migration des molécules vers le bas à travers le gel. Les molécules plus grosses ne se déplacent pas très loin, elles apparaissent donc sous forme de bandes près du sommet du gel ; des molécules plus petites et plus rapides forment des bandes près du milieu et du bas. Au début de l'expérience, rien ne pouvait être vu dans les gels, car les molécules d'ARN étaient toutes différentes. Mais après trois cycles, des bandes distinctes sont apparues, signifiant que certaines espèces catalytiques étaient déjà en cours de sélection. Avec la poursuite du cycle, d'autres espèces sont apparues pendant quelques cycles puis se sont éteintes. Après 10 cycles, deux espèces d'ARN distinctes ont survécu, représentant les molécules d'ARN les plus efficaces pour catalyser la réaction de ligature.

Ces résultats démontrent un principe fondamental d'évolution au niveau moléculaire. Au début de l'expérience, chaque molécule d'ARN était différente de toutes les autres, mais ensuite un obstacle sélectif s'est imposé sous la forme d'une réaction de ligature qui a permis à seulement certaines molécules de survivre et de se reproduire. Le résultat a été que des molécules catalytiques spécifiques ont émergé par un processus reflétant étroitement la sélection naturelle darwinienne. La conclusion : l'information génétique peut en effet apparaître dans des mélanges aléatoires, à condition que les mélanges commencent par un grand nombre de polymères définis par une variété de séquences nucléotidiques parmi lesquelles des séquences spécifiques ayant une propriété catalytique peuvent être sélectionnées et amplifiées. Il semble raisonnable de proposer que des processus sélectifs similaires aient pu se produire sur la Terre prébiotique lorsque les premières formes de vie se sont auto-assemblées dans un mélange de composés organiques puis ont commencé à évoluer.

Cinquième jalon : chimie combinatoire et sacs à ordures
La plupart des chimistes apprennent à faire leurs expériences en série, une par jour. Mais des expériences peuvent aussi être menées en parallèle avec une technique appelée chimie combinatoire. Cette approche est particulièrement utile dans l'industrie pharmaceutique, dans laquelle il est souvent nécessaire d'expérimenter un grand nombre de composés afin d'optimiser une réaction ou de tester un nouveau médicament. Un dispositif robotique charge des centaines voire des milliers de petites chambres de réaction avec les mélanges souhaités, chaque chambre contenant une gouttelette légèrement différente des autres. Une fois la réaction terminée, les chambres sont testées individuellement pour l'activité.

Dans mon laboratoire, nous effectuons une version de la chimie combinatoire lorsque nous préparons des liposomes en ajoutant de l'eau à quelques milligrammes de lipides secs dans un flacon. Une suspension laiteuse est produite qui contient, non pas des milliers, mais des milliards de vésicules microscopiques individuelles de la taille de petites bactéries – un demi-micromètre de diamètre. Si les vésicules sont préparées dans une solution contenant de petits peptides et de courts acides nucléiques tels que l'ARN, chacune des vésicules contiendra un ensemble différent de composants, donc chacune représente une expérience microscopique. Pensons maintenant à la Terre primitive. Au lieu de milligrammes de lipides dans un flacon, il aurait fallu des milliards de tonnes de matière organique s'assemblant en un nombre énorme de structures microscopiques, et un demi-milliard d'années pour faire l'expérience.

L'origine de la vie peut être comprise métaphoriquement comme une chimie combinatoire à l'échelle mondiale. Quelques-unes des expériences microscopiques ont dû être couronnées de succès, aboutissant à des cellules primitives capables de capturer de l'énergie et des nutriments afin de se développer au moyen de réactions de polymérisation. L'évolution a commencé lorsque les cellules ont rempli une niche limitée et se sont disputées les ressources. À ce stade, la sélection naturelle a pris le relais, accordant une importance particulière à l'efficacité avec laquelle une cellule donnée pouvait capturer les nutriments pour se développer. J'imagine qu'une fois que la vie cellulaire robuste a démarré, elle s'est développée de façon exponentielle. La Terre, vue de l'espace, peut même avoir rougi ou viré au vert pendant un certain temps lorsque des bactéries photosynthétiques ont rempli les océans.

Découvrirons-nous un jour la combinaison d'ingrédients qui a donné naissance à la vie ? Encore une fois, je suis optimiste. Nous devons appliquer ce que nous savons sur la chimie et la physique des systèmes vivants pour affiner les possibilités, puis être assez courageux pour faire des expériences. Mais quelles expériences devrions-nous tenter? C'est là que la théorie peut nous guider. Freeman Dyson, l'un des grands physiciens théoriciens de notre temps, s'est également intéressé à l'origine de la vie. Dans son livre Origins of Life, Dyson résume succinctement ce que je vous ai dit :

La vie a commencé avec de petits sacs, précurseurs des cellules, renfermant de petits volumes d'eau sale contenant des déchets divers. Une collection aléatoire de molécules dans un sac peut parfois contenir des catalyseurs qui provoquent la synthèse d'autres molécules qui agissent comme des catalyseurs pour synthétiser d'autres molécules, et ainsi de suite. Très rarement, une collection de molécules peut apparaître qui contient suffisamment de catalyseurs pour reproduire l'ensemble de la population au fil du temps. La reproduction n'a pas besoin d'être précise. Il suffit que les catalyseurs soient maintenus de façon statistique grossière. La population de molécules dans le sac se reproduit sans aucune réplication exacte. Pendant que cela se produit, le sac peut se développer par accrétion de déchets frais de l'extérieur, et le sac peut parfois être brisé en deux sacs lorsqu'il est projeté par des mouvements turbulents. La question critique est alors, quelle est la probabilité qu'un sac fille produit à partir de la division d'un sac avec une population autoreproductrice de molécules contienne lui-même une population autoreproductrice ? Lorsque cette probabilité est supérieure à la moitié, un parent produit en moyenne plus d'une fille fonctionnelle, une réaction en chaîne divergente peut se produire, les sacs contenant des populations auto-reproductrices se multiplieront et une sorte de vie a commencé.

La vie qui commence ainsi est le monde des sacs poubelles. C'est un monde de petites protocellules qui ne se métabolisent et ne se reproduisent que statistiquement. Les molécules qu'elles contiennent ne se répliquent pas exactement. La reproduction statistique est une base suffisante pour la sélection naturelle. Dès que le monde des sacs poubelles commencera avec des protocellules à reproduction grossière, la sélection naturelle opérera pour améliorer la qualité des catalyseurs et la précision de la reproduction. Il ne serait pas surprenant qu'un million d'années de sélection produise des protocellules avec bon nombre des raffinements chimiques que nous voyons dans les cellules modernes.

Next Life: Cellules synthétiques
Des concepts théoriques comme le monde de l'ARN et le monde des sacs poubelles de Dyson ont inspiré des approches expérimentales dans lesquelles les systèmes de molécules entourés de membranes sont suffisamment complexes pour avoir certaines des propriétés de la vie. L'objectif ultime est d'assembler un système cellulaire qui peut utiliser l'énergie pour se développer grâce à un processus de polymérisation catalysée, de réplication de l'information génétique et d'évolution. Plusieurs laboratoires ont lancé de telles études, et il y a lieu de croire que l'objectif de la vie artificielle pourrait être atteint dans la prochaine décennie. Je vais maintenant faire un bref historique des recherches sur la fabrication des cellules artificielles.

Peut-être que la première chose à comprendre est que l'assemblage d'un système de molécules capables de se reproduire est une vieille nouvelle. Il y a plus de 50 ans, Heinz Fraenkel-Conrat et Robley Williams à Berkeley ont découvert que le virus de la mosaïque du tabac pouvait être séparé en sa protéine d'enveloppe et son ARN. Si les deux composants étaient mélangés, ils se réassemblaient dans l'agent infectieux. Plus récemment, dans une démonstration remarquable de méthodes modernes de biologie moléculaire, Jeronimo Cello, Aniko Paul et Eckard Wimmer de l'Université d'État de New York à Stony Brook ont ​​fabriqué un génome de poliovirus fonctionnel en assemblant des centaines de fragments plus petits qui ont été synthétisés. en utilisant des techniques chimiques. Et il y a deux ans, Hamilton Smith et ses collègues du J. Craig Venter Institute de Rockville, dans le Maryland, ont réussi à synthétiser un génome complet d'une petite espèce bactérienne appelée Mycoplasme génital . Le tumulte que cela a provoqué est une indication de ce à quoi seront confrontées les premières affirmations selon lesquelles une cellule vivante a été réassemblée à partir de ses parties.

La synthèse des génomes viraux et bactériens suggère que des fabrications encore plus complexes pourraient être possibles. Nous savons depuis des années que les processus d'auto-assemblage spontanés peuvent produire des systèmes étonnamment complexes de molécules fonctionnelles. Efraim Racker, travaillant à l'Université Cornell, a été le premier à disséquer et à reconstituer les membranes mitochondriales dans les années 1970. Les mitochondries sont des organites subcellulaires présentes dans la plupart des cellules, et incrustées dans leurs membranes se trouvent des enzymes qui éliminent les électrons des produits métaboliques dérivés des nutriments tels que le glucose. Le processus est appelé transport d'électrons, car les électrons traversent ensuite une chaîne d'enzymes dans la membrane mitochondriale et sont livrés à l'oxygène. Le transport des électrons est étroitement couplé à un deuxième processus de transport, dans lequel des protons chargés positivement dérivés de l'eau sont pompés vers l'extérieur, produisant un potentiel électrique d'environ 0,2 volt à travers la membrane. Cette tension fournit la source d'énergie pour la synthèse de l'adénosine triphosphate (ATP), qui transporte l'énergie chimique dans les cellules et entraîne donc la plupart des processus vitaux. Le mécanisme universel par lequel l'ATP est synthétisé, maintenant appelé chimiosmose, a été proposé en 1961 par Peter Mitchell, un scientifique britannique remarquable qui a ensuite mené des recherches dans sa maison de Bodmin, en Cornouailles.

Racker et ses étudiants ont dissous les membranes mitochondriales avec un détergent appelé acide désoxycholique. L'une de ses premières découvertes fut que les membranes contenaient une enzyme qui couplait la synthèse d'ATP au transport d'électrons. Il a qualifié cela de facteur de couplage, mais il est maintenant appelé ATP synthase. Racker a également découvert que le détergent pouvait être éliminé par dialyse, simplement en plaçant la solution claire dans un sac composé d'un matériau ressemblant à de la cellophane et en la laissant reposer toute la nuit dans une solution saline diluée. Les petites molécules de détergent s'échappaient du sac, mais les molécules plus grosses ne pouvaient pas traverser le matériau poreux. Le lendemain, la solution était trouble, car les vésicules membraneuses contenant les composants protéiques d'origine s'étaient réassemblées. Les vésicules étaient parfaitement capables de réactions de transport d'électrons et de synthèse d'ATP. C'était la première reconstitution d'une fonction biologique très complexe.

À peu près au même moment, Walther Stoeckenius de l'Université de Californie à San Francisco s'est intéressé aux membranes pigmentées d'une espèce bactérienne appelée Halobacterium halobium , qui vit dans une eau extrêmement salée. Stoeckenius et Dieter Oesterhelt ont pu isoler le pigment violet - la bactériorhodopsine - et ont découvert que sa fonction était d'absorber l'énergie lumineuse et d'utiliser l'énergie pour transporter des protons à travers la membrane bactérienne. L'énergie du gradient de protons a ensuite été utilisée pour synthétiser l'ATP. Racker et Stoeckenius, tous deux membres de l'Académie nationale des sciences, ont alors initié une rare collaboration entre deux scientifiques chevronnés. Ils ont utilisé la méthode de dialyse de Racker pour reconstituer un système de vésicules membraneuses contenant uniquement la pompe à protons des membranes violettes et l'ATP synthase des mitochondries. En 1974, ils ont signalé que les vésicules hybrides pouvaient utiliser la lumière comme source d'énergie pour synthétiser l'ATP. Leur article a ajouté au poids de la preuve qui a finalement confirmé la synthèse chimiosmotique de l'ATP, pour laquelle Peter Mitchell a reçu le prix Nobel en 1978.

Le point de cette brève histoire est qu'une fonction biologique étonnamment complexe peut être reconstituée par l'auto-assemblage de composants dispersés. Pourquoi ne pas essayer de reconstituer une cellule entière ? Si cela s'avère possible, cela nous aidera peut-être à démêler ce que nous entendons par vie et même à élucider les grandes étapes qui ont conduit à l'origine de la vie cellulaire.

Pier Luigi Luisi et ses associés de recherche à Zurich ont fait la première tentative en encapsulant des ribosomes dans des vésicules lipidiques en 1999, avec une forme synthétique d'ARN qui a dit aux ribosomes d'incorporer l'acide aminé phénylalanine dans une protéine. Quelques peptides courts ont été produits, mais les bicouches lipidiques sont imperméables aux acides aminés, de sorte que la synthèse a été limitée aux phénylalanines qui se trouvaient à l'intérieur des vésicules. Vincent Noireaux et Albert Libchaber de l'Université Rockefeller avaient une solution astucieuse au problème de perméabilité : pourquoi ne pas ajouter un canal à la bicouche lipidique des vésicules ? Ils ont rapporté en 2004 qu'ils avaient réussi à encapsuler un système de traduction complet isolé de E. coli , ainsi que l'ARN messager qui dirige la synthèse ribosomique de la protéine fluorescente verte (GFP) et de l'hémolysine, une protéine qui sert de canal permettant aux acides aminés ajoutés de l'extérieur et à l'ATP d'entrer dans les vésicules. Le système a fonctionné jusqu'à quatre jours et à la fin de la période d'incubation, les vésicules sont devenues vertes à cause de la GFP accumulée. Tetsuya Yomo et son groupe de recherche à l'Université d'Osaka sont allés plus loin avec un système de traduction encapsulé similaire dans lequel le gène GFP est présent dans un brin d'ADN. Ils appellent leur système une cascade génétique, car le gène GFP est transcrit en ARN messager, qui dirige ensuite la synthèse de la protéine.

Ces systèmes de traduction encapsulés présentent une propriété fondamentale de la vie : ils utilisent l'information génétique pour synthétiser une protéine, mais seules quelques protéines spécifiques sont produites, et tout le reste est laissé pour compte. Pour être vraiment vivantes, les protocellules auraient besoin d'un brin d'ADN avec les gènes de plus de 200 protéines et espèces d'ARN différentes, y compris les gènes d'une enzyme polymérase afin que l'ADN puisse être répliqué. Des enzymes qui catalysent la synthèse des lipides doivent également être présentes, car la frontière membranaire doit croître. Les protéines de transport doivent être incorporées dans la bicouche lipidique ; sinon, les vésicules n'ont pas accès aux sources externes de nutriments et d'énergie. Tout un ensemble de processus réglementaires devrait également être mis en place, afin que toute cette croissance soit coordonnée. Enfin, lorsque les vésicules atteignent environ le double de leur taille d'origine, elles doivent se diviser en cellules filles qui partagent l'information génétique d'origine.

Il s'ensuit que même la vie la plus simple d'aujourd'hui est étonnamment complexe et n'aurait pas pu voir le jour sur la Terre primitive avec un complément complet de centaines de gènes. Il devait y avoir quelque chose de plus simple – une sorte de vie d'échafaudage qui a été laissée dans les débris de l'évolution il y a plusieurs milliards d'années. Compte tenu de tout cela, quelle est la probabilité que la promesse ultime de la biologie synthétique se réalise – qu'une version artificielle d'une cellule vivante primitive puisse être assemblée ? Le meilleur pari est probablement un ribozyme qui catalyse sa propre synthèse complète à partir d'ATP, UTP, GTP et CTP - les quatre monomères nucléotidiques de l'ARN - en utilisant l'information génétique codée dans sa structure. Si quelqu'un réussit, nous aurons en main la propriété essentielle qui manque jusqu'à présent aux modèles de cellules artificielles : la reproduction du catalyseur lui-même. Étant donné un tel ribozyme, nous savons déjà comment l'incorporer dans un système de vésicules lipidiques qui peuvent croître avec le ribozyme et permettre aux nucléotides nutritifs d'entrer dans la cellule pour soutenir la croissance. Les ribozymes encapsulés auront la capacité d'évoluer, comme l'ont démontré Bartel et Szostak il y a 15 ans. Bref, le système sera vivant.

Et puis que se passe-t-il ? Il y aura des gros titres, bien sûr; les manuels seront réécrits ; et tôt le matin, quelqu'un sera probablement réveillé par un appel téléphonique de Stockholm. Mais après tout, le brouhaha s'estompe ; quelqu'un d'autre demandera, et alors ? Cette même question aurait pu être posée lorsque la structure en double hélice de l'ADN a été publiée en 1953. L'ampleur de la découverte n'est apparue que des années plus tard. Je pense que le premier système de molécules capables de se reproduire apparaîtra aussi dans un premier temps comme un exercice académique. Mais pour le mettre en perspective, rappelons que la nourriture, les antibiotiques, le pétrole, le bois, le méthane et l'hydrogène sont produits par des cellules vivantes issues de plus de trois milliards d'années d'évolution. Je pense que la prochaine révolution technologique commencera lorsque les fonctions synthétiques de la vie pourront être exécutées par des versions simplifiées de cellules conçues à partir de plans plutôt que par évolution.

David Deamer est professeur-chercheur en génie biomoléculaire à l'Université de Californie à Santa Cruz. Il écrit actuellement un livre sur l'origine de la vie, qui sera publié par l'University of California Press.

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