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Des biopolymères aux premiers organismes vivants

Après avoir essayé de reconstituer les processus physico-chimiques qui ont conduit à l'émergence de la vie sur Terre, une deuxième approche consiste à remonter le temps à partir d'une vie primitive et à comprendre la logique de l'évolution du Vivant.

Cette approche nécessite évidemment de multiples compétences en biologie qui vont bien au-dela des connaissances du rédacteur et de ce que peut saisir un lecteur non averti. Je donnerai simplement quelques repères.

Il me semble que dans ce domaine, lié plus à l'évolution qu'à l'origine de la vie, nous sommes encore loin d'une vision globale et cohérente. Des découvertes majeures ont été faites, liées notamment aux travaux sur le génome, mais des liens fondamentaux n'ont pas encore été établis entre certaines de ces découvertes et l'origine et l'évolution du Vivant.

Les 5 étapes conduisant à l'organisation actuelle des organismes vivants

1. Des conditions prébiotiques plausibles entraînent la création de molécules organiques simples qui sont les briques de base du vivant. C'est ce que nous avons examiné plus haut.
   
2. Des phospholipides forment spontanément des doubles couches qui sont la structure de base des membranes cellulaires.
3. Des mécanismes conduisent à la formation aléatoire de molécules d'ARN (acide ribonucléique), en mesure d'agir comme des ARN-enzymes capables, dans certaines conditions très particulières, de se dupliquer. C'est une première forme de génome, et nous sommes alors en présence de protocellules.
4. Les ARN-enzymes sont progressivement remplacées par des protéines-enzymes, grâce à l'apparition des ribozymes, ceux-ci étant capables de réaliser la synthèse des protéines.
5. L'ADN apparaît et remplace l'ARN dans le rôle de support du génome, dans le même temps les ribozymes sont complétés par des protéines, formant les ribosomes. C'est l'apparition de l'organisation actuelle des organismes vivants.

Quelles sont les traces sur terre d'une vie primitive ?

L'espoir de retrouver des systèmes vivants primitifs fossilisés ou des traces d'une activité, vieille de plus de 4 milliards d'années, est extrêmement faible. En effet, 4 facteurs ont contribué à les effacer : l'histoire tectonique mouvementée de la Terre, l'érosion, les effets destructeurs du rayonnement ultraviolet du Soleil et la vie elle-même ! Elle a produit depuis 2,5 milliards d'années les énormes quantités d'oxygène qui nous font vivre mais qui sont un véritable poison pour de nombreuses molécules organiques et microorganismes.

Au début de son histoire, la Terre primitive était dépourvue d’oxygène. Les premiers organismes qui y sont apparus étaient donc anaérobies. Ces microbes avaient un métabolisme bien moins évolué que celui basé sur l’oxygène et leur taille était bien plus faible. Les vestiges de ces microorganismes se trouvent dans les plus anciennes roches sédimentaires terrestres, datant de 3.5 à 3.3 milliards d’années (à l’époque de l’Archéen inférieur), situées en Australie et en Afrique du Sud.
Du fait de leur taille, l’observation de ces microfossiles est particulièrement délicate. De plus, il existe de nombreux artéfacts minéraux pouvant imiter une signature biologique. De très vives polémiques se sont ainsi développées au cours de la dernière décennie pour savoir si ces structures étaient réellement associées à des traces de vie primitive ou si elles étaient simplement des manifestations d’un monde abiotique. Frances Westall,  Centre de Biophysique Moléculaire.

Voir les bactéries fossilisées dans des stromatolithes découvertes en Australie (Warrawoona).

L'étude des phénomènes semblables se produisant sur d'autres corps et les expérimentations de laboratoire sont les seuls moyens disponibles pour découvrir ces systèmes primitifs.

L'étude du génome, nouvelle approche pour reconstituer l'arbre du Vivant

Le code génétique est lié au métabolisme, donc aux voies métaboliques conduisant à la biosynthèses des nucléotides, constituant des acides nucléiques et aux aminoacides.

La phylogénie, arbre "généalogique" du Vivant

Les études phylogéniques ont montré que la vie s'est developpée en trois branches distinctes :

- les eucaryotes,

- les eubactéries,

- les archébactéries

Cette phylogénie à trois domaines est récente, elle résulte des travaux de Carl Woese dans les années 70 et de ses travaux sur l'ARN. La scission au sein des procaryotes qui conduit à la constitution du groupe des Archées est un pas important : cette phylogénie, si elle amplifie les différences au sein des procaryotes, rapproche espèce végétale et animale.

Mais quel est le tronc originel ? Quelle est la racine de cet arbre ? Quel est l'ancêtre commun ?

Cet ancêtre est une cellule déjà très élaborée, présentant toutes les caractéristiques communes de ses descendants, connu aujourd'hui sous le nom de LUCA ( The Last Universal Common Ancestor).

Nous sommes loin de la cellule primitive (le progénote de Woese), en terme de changement évolutif (de quelques gènes primitifs à de nombreux gènes adaptés).

Je vais ici directement au résultat le plus récent (Nature, décembre 2008) :

Une percée vient d’être réalisée dans les recherches relatives à l’ancêtre commun à toute la vie sur Terre, dénommé LUCA (Last Universal Common Ancestor). L’étude, menée par des chercheurs du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, France) et de l’Université de Montréal (Canada), et publiée dans la revue Nature, avance que l’organisme apparu il y a 3,8 milliards d’années n’est pas celui habituellement imaginé. L’idée de la vie primitive sur Terre s’en trouve modifiée.

Il était généralement admis que LUCA était un organisme adapté à la chaleur, ou hyperthermophile, à l’image des organismes étranges vivant dans les évents chauds (au-dessus de 90°C) situés le long des dorsales profondes des océans actuels, déclare Nicolas Lartillot, co-auteur de l’étude et professeur de bio-informatique à l’Université de Montréal. Or, les données suggèrent que LUCA était en fait sensible aux températures élevées et vivait à une température inférieure à 50 degrés, indique-t-il.

L’équipe de chercheurs a comparé l’information génétique des organismes modernes afin de caractériser l’ancêtre de la vie sur Terre. Les recherches reviennent à étudier l’étymologie des langues modernes pour révéler des choses fondamentales concernant leur évolution, déclare Lartillot. Les scientifiques ont identifié les traits génétiques communs entre animaux, plantes, bactéries, et les ont utilisés pour créer un arbre de la vie avec des branches représentant des espèces séparées. Toutes provenaient d’un même tronc génétique : LUCA.

Les travaux représentent une étape importante dans la réconciliation d’idées en conflits concernant l’ancêtre de la vie. Les nouvelles idées seraient plus compatibles avec la théorie d’un monde primitif d’ARN, où la vie sur Terre était composée d’acide ribonucléique (ARN) plutôt que d’acide désoxyribonucléique (ADN). L’ARN est particulièrement sensible à la chaleur et probablement instable en situation de température élevée, celle de la Terre primitive. Selon les données recueillies, LUCA aurait trouvé un microclimat plus froid lui permettant de se développer. Cela aide à résoudre le paradoxe et montre que les micro-domaines environnementaux jouent un rôle critique dans le développement de la vie sur Terre.

C’est seulement dans une seconde étape que les descendants de LUCA découvrirent la molécule d’ADN thermostable, qu’ils acquirent indépendamment, peut-être par le biais de virus, et utilisèrent pour remplacer l’ancien et fragile véhicule d’ARN. Cette innovation leur permît de s’extraire du microclimat froid, d’évoluer et se diversifier en une variété d’organismes sophistiqués aptes à supporter la chaleur, avancent les chercheurs.

Communiqué CNRS, 5 janvier 2009

Ce résultat est en effet capital parce que l'hypothèse qui reliait les premiers organismes hyperthermophiles aux diverses branches de l'arbre philogénique, en passant par un LUCA lui-même hyperthermophile, avait beaucoup de supporters.

A propos de ces hyperthermophiles voir l'ouvrage de P. Forterre "Microbes de l'enfer"

ADN, ARNs, l'information génétique

Illustration simple ICI sur ce sujet

Différents types d'ARN

Il existe, dans la cellule, trois types d’ARN. L’ARN messager (ARNm) est une molécule en forme de ruban, produit de la transcription de l’ADN, et porteuse du code permettant l’élaboration des protéines par « traduction » du code génétique. L’ARNm possède une extrémité 3’ et une extrémité 5’ qui déterminent le sens de lecture du brin (3’ vers 5’). Les ARN de transfert (ARNt) sont de petites structures en forme de « feuilles de trèfle ». Ils portent chacun un acide aminé qui sera intégré dans la protéine en cours de construction. Pour cela, ils se fixent, sur l’ARNm, à un codon (succession de trois éléments, spécifiques de l’acide aminé), grâce à leur anticodon (« négatif » du codon). Cette fixation s’effectue par l’intermédiaire des ribosomes (qui « lisent » l’ARNm et sont responsables de la conduite de la fabrication des protéines). Enfin, les ARN ribosomiaux (ARNr) sont les principaux constituants des ribosomes. Quatre molécules d’ADN de différentes tailles participent à la structure d’un ribosome. La grosse sous-unité (ou sous-unité 60s) comporte les ARN 5,8s, 5s et 28s ; tandis que la petite sous-unité (ou sous-unité 40s) ne compte qu’un ARN, l’ARN 18s. (Les dénominations 5s, 18s, etc., ont pour origine des expériences de centrifugation des sous-unités ribosomiales et des ARN dans des tubes à essai. Pendant la centrifugation, les éléments les plus lourds vont s’accumuler au fond du tube : c’est la sédimentation. Le chiffre correspond au coefficient de sédimentation de chaque élément.)

Jusqu'au début des années 80 les choses étaient claires : l'ADN est le support de l'information génétique, il est recopié en ARN messager qui est traduit en protéines dans les ribosomes. Les protéines sont des catalyseurs, les ARN et ADN stockent l'information génétique. Les rôles sont bien partagés. Mais cet univers  va être bouleversé par la découverte de Thomas Cech et Sydney Altman (prix Nobel de chimie en 1989). Les ARN messagers contiennent très souvent une partie qui n'est pas utilisée  lors de la traduction et qui est éliminée peu de temps après la synthèse de l'ARN. Ce morceau inutilisé est appelé intron. Cech et Altman eurent la surprise de constater que cette élimination ne nécessite aucune enzyme. C'est l'intron lui même qui réalise la catalyse. Pour la première fois on montrait que les ARN avaient une fonction catalytique comme les protéines, on les appela ribozymes. Depuis les exemples d'implications des ARNs dans le métabolisme se sont multipliés. En voici quelques uns, parmi les plus marquants :

• Dans le ribosome ce sont les ARNs de transfert qui catalysent la formation de la liaison peptidique. Ils sont même capables de s'acquitter de cette tâche en dehors du ribosome et sans ARN messager, par exemple lors de la synthèse du peptidoglycane, constituant essentiel de la paroi des bactéries.
• L'une des étapes de la synthèse de la chlorophylle nécessite de l'acide glutamique (acide aminé). Celui-ci doit être fixé sur son ARN de transfert pour que la réaction ait lieu. La réaction suivante est catalysée par le pyridoxal phosphate un co-enzyme très simple intervenant dans de nombreuses réactions.

Le monde ARN

L'ADN est aujourd'hui le support de nos gènes et contient les instructions de production des protéines. La réplication de l'ADN est assurée par des protéines, les ARN polymérases. Il en résulte un paradoxe de l'œuf et de la poule si on se pose la question de savoir qui des protéines ou de l'ADN est apparu le premier au cours de l'émergence de la vie telle que nous la connaissons aujourd'hui.

La difficulté provient de ce que ce ne sont pas les mêmes polymères qui portent l'information génétique (ADN) et les fonctions catalytiques nécessaires à la réplication (protéines). Ces deux sortes de polymères étant très complexes et chimiquement très différents, il était difficile d'imaginer comment ils avaient pu apparaître simultanément et indépendamment.

Certains scientifiques (comme le virologiste Patrick Forterre de l'institut et de génétique et microbiologie, à Orsay) pensent que ce sont les virus qui seraient les "inventeurs" de l'ADN. L'apparition de l'ADN viral dans un monde à ARN serait une solution de ces parasites pour déjouer les défenses cellulaires.

Nouvelles questions et hypothèses sur l'origine et l'évolution des génomes

Conférence du Pr Patrick Forterre, Institut Pasteur (Université Paris Sud)

 ICI

Le scénario actuel dans la recherche d'un ancêtre moléculaire commun à toutes les formes de vie existantes, repose sur le fait que les fonctionnalités actuelles des acides nucléiques et des protéines, viennent d'un monde ARN.

Le monde ARN postule que dans le cours de l'évolution la continuité génétique a été assurée par la réplication de l'ARN.

Le fait que l'ARN ait précédé l'ADN parle à l'entendement du chimiste ! En effet les différences de structure des briques constituant les deux acides nucléiques sont :

- au niveau du sucre : il est plus logique de concevoir la disparition d'un hydroxyle que son apparition,

- au niveau du remplacement de la base : la thymine (de l'ADN) comporte un groupement méthyle qui n'existe pas dans l'uracile (de l'ARN).

D'un autre côté l'ARN, du fait de l'hydroyle supplémentaire a un potentiel de réactivité supplémentaire... mais corrélativement une fragilité plus importante.

Un monde pré-ARN... et avant ???

Pour pousser à son terme la réflexion d'un étudiant à propos d'une question que je lui pose, j'enchaîne les "Pourquoi ?" cherchant de cette façon à reconstituer le cheminement de ses connaissances. Il y a toujours un "pourquoi" sans réponse et le but du jeu est que ce pourquoi là vienne le plus tard possible !

A propos du processus évolutif, la question est "AVANT ?"!

Avant le monde ARN on peut imaginer l'existence d'un autre matériel génétique, précurseur des acides nucléiques, d'un ARN simplifié mais capable de s'auto-répliquer.

Il faut savoir que des modèles à prédiction "rétro-active" ont été testés expérimentalement. Ainsi de nombreux travaux concernent la substitution du ribose des acides nucléiques par d'autres sucres dont la synthèse prébiotique paraît plus simple.  Il faudrait aussi parler des PNAs où les bases puriques se greffent sur un squelette polyamidique...etc

Enfin, en mimant une approche Darwinienne de l'évolution, on a utilisé une méthode combinatoire  automatisée -SELEX-, basée sur des cycles de reproduction sélective d'individus les mieux adaptés à une fonction déterminée, qui permet d'obtenir des structures nouvelles, les aptamères, capables de reconnaître des cibles diversifiées. Ainsi sont apparus des ARN-aptamères.

La recherche fait donc son travail et avec ses nouveaux outils (génome, séquençage...) a conduit à de grandes avancées depuis 30 ans. Cependant de LUCA aux premiers organismes vivants le chemin est long et notre ignorance est encore grande !