Des biopolymères aux premiers organismes vivants

 

Gauguin : Qui sommes-nous ? D'où venons-nous ? Où  allons-nous ?

  

 

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 avant.
  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 WestallCentre 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

 

Voir sur le site : Du génome au protéome

 

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

 

 

Colourful Thermophilic Archaebacteria Stain in Midway Geyser Basin
Colourful Thermophilic Archaebacteria Stain in Midway Geyser Basin

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 organisme 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"

 

The Last Universal Common Ancestor: l'émergence, la constitution et l'héritage génétique d'un précurseur insaisissable - Nicolas Glansdorff ,Ying Xu et Bernard Labedan
The Last Universal Common Ancestor: l'émergence, la constitution et l'héritage génétique d'un précurseur insaisissable - Nicolas Glansdorff ,Ying Xu et Bernard Labedan
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ADN, ARNs, l'information génétique

 

Illustration simple ICI sur ce sujet

 


Le monde ARN


Structure du ribosome bactérien montrant : l’ARN messager (en or), les ARN de transfert (en jaune, vert et rouge), l’ARN (en gris) et la partie protéique (en magenta) de la petite sous-unité (en gris), et l’ARN (en bleu clair) et la partie protéique (en bleu foncé) de la grande sous-unité.



ARN de transfert
ARN de transfert
Ribozyme
Ribozyme

 

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.

 

" Dans l’hypothèse d’une origine virale de l’ADN, on comprend bien comment différents mécanismes de réplication ont pu apparaître indépendamment dans plusieurs lignées de virus à ADN, par recrutement de différentes protéines impliquées dans la réplication de l’ARN. L’ADN aurait pu être ensuite transféré une ou plusieurs fois indépendamment des virus aux cellules, avant ou après l’émergence de LUCA, (selon que l’on imagine un LUCA à ADN ou à ARN). Comme on le voit, le problème de la nature de LUCA est loin d’être résolu. Pour bien souligner le problème soulevé à cette occasion par l’origine des virus, je suggère maintenant de considérer que l’acronyme LUCA correspond à the Last Universal Cellular Ancestor (Forterre, 2002).

 

 

Quelle que soit la validité de ces hypothèses, elles ont selon moi l’avantage d’attirer à nouveau l’attention des évolutionnistes sur le monde des virus. Par la force des choses, les virus avaient été plus ou moins évacués de la problématique évolutive suite au développement des phylogénies et des modèles d’évolution basés sur les ARN ribosomaux."

P. Forterre, 2007


 

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 !