L'aube de la vie :

Une synthèse personnelle contribuant à établir la banalité du vivant

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La vie des plasmes

Le ribomonde (Ou l'ARN et les peptides prennent le relais)

Séquestration

Reproduction

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Le ribomonde

Nous en somme au stade ou des particules d'origine interstellaire sont recouvertes d'une couche moléculaire comprenant des acides nucléiques liés à des peptides, flottent dans l'océan, se déposent sur le fond et les rives, environnés de gouttelettes sphéroïdales, parfois liés à elles. Les divers rayonnements subis, l'alternance de cycle de dessiccation et de ré-hydratation, même partielle, sont à l'origine d'un apport continuel d'énergie permettant aux synthèses de sa poursuivre. Nos paleoribosomes, attachés à des membranes primitives, voient leur complexité et leur taille s'accroitre. Ils contiennent des peptides de plus en plus long, de plus en plus repliés et complexes. Les acides nucléiques deviennent, à force de complexification, capable d'auto-reproduction. Qu'est ce qui les pousse vers la complexité? tout simplementl'obligation qu'ils ont de devoir résister à l'hydrolyse (à l'origine d'une véritable pression de sélection), et pour cela de posséder une séquence leur permettant de se replier de façon correcte (Eigen & al., 1981). Comme ce processus moléculaire est plus rapide que la croissance cristalline, les riboparticules qui contiennent ces séquences se "reproduisent", croissent de plus en plus vite. Leur masse augmentant, elles ont tendance à s'enfoncer dans le milieu liquide, générant ainsi des tractions de plus en plus grandes sur les membranes liées aux peptides, et jouant peut être un rôle de "flotteur". Ces forces sont à l'origine du repliement des membranes. Nos agrégats se dupliquent au niveau nucléique, mais pas au niveau protéique (qui ne sont pas autoreplicante). Il en résulte que seules les séquences autoreplicantes capables, par leurs conformations, de diriger des synthèses protéiques, sont favorisées: c'est l'origine du transfert d'information entre acides nucléiques et protéines, le début du code génétique.

Les peptides liés aux acides nucléiques, a force de se replier, acquièrent des formes qui facilitent les réactions chimiques: ce sont les premier proto-enzymes. Et sur quelles molécules vont ils agir ? Celles qui leur sont, géographiques, les plus proches, c'est à dire les acides nucléiques. Dès cet instant, la collaboration entre enzyme et acides nucléique prend naissance et ne cessera de se complexifier. Une des traces actuelles de cette collaboration est que beaucoup de coenzymes sont des nucléotides ou des dérivés de nucléotides (comme le célèbre NAD (nicotinamide adenine di-nucléotide) si utile aux dosages enzymatiques!)

Les séquences d'acides nucléiques sont sujettes à mutations, à variations: une compétition se créée, et on obtient rapidement plusieurs quasi-espéces d'ARN. Cette évolution moléculaire a pu être obtenue in vitro (Eigen & al., 1981, Fontana, 1998), et avec des résultats extrêmement intéressant, montrant qu'un système moléculaire autoreproductif possède une adaptabilité proprement sidérante aux variations de son milieu (ce qui était indispensable dans l'environnement des débuts de la vie!). La reproductibilité des premiers acides nucléiques dépend de l'appariement de bases complémentaires, peut être aidé dès le début par des peptides de forme bien définie. Cette aide peptidique a permis de dépasser le seuil de 100 nucléotides au delà duquel les erreurs d'appariement ne permettent plus la conservation d'une séquence (qui devait être riche en G et C). Le système s'organise rapidement selon trois composantes :

• Un ARN "de réserve", de grande taille, sur lequel se lient des séquences plus petites
• des ARN liés à des peptides par un bout et à l'ARN précédent par un autre: ce sont les ancêtres de ARNt (on peut noter à cet égard que chez une bactérie comme E Coli, c'est toujours un ARN (ribonuclease-P) qui intervient pendant la maturation des molécules d'ARNt - Altman, 2004).
• des peptides enfermant et protégeant ces deux types d'ARN, mais qui ne sont liés qu'au second, le premier n'étant plus géométriquement accessible. Parmis ces molécules, les ancêtres des tRNA amino-acyl synthases, qui lient actuellement les acides aminés aux ARN de transfert, prennent leur essort. Leur étude montre qu'elles existent actuellement sous forme de deux familles complétement séparées  ce qui démontre que le phénomène de traduction liant l'ARN aux protéines a évolué de deux façons distinctes au moins, chez des organismes séparés qui ont par la suite échangés leur gènes (Woese & al., 2000). Certaines bactéries méthanogènes présentant encore des divergences à cet égard, on peut légitimement penser qu'en fait il y a eu au minimum trois espéces différentes de système de traduction qui ont fusionnés par la suite.

Il doit subsister des traces de ces nombreux ARN différents. Actuellement, les chercheurs découvrent de nombreux types d'ARN (Bachellerie, 2003) dans les cellules, aux rôles plus variès que l'on ne l'imaginait. Ainsi, les ARN "interférents" sont impliqués dans le contrôle de l'expression des gènes. Dans le processus de maturation de ces ARN, une enzyme, la DICER, transforme une "épingle à cheveux" d'ARN en séquence double brin (Lau & Bartel, 2003). Ce processus a dû débuter avant même qu'il existe des cellules, et cette enzyme doit être très conservée chez tous les êtres vivants. C'est apparemment le cas.

Les biologiste moléculaires découvrent que le monde des ARN est bien plus complexe qu'on ne l'aurait cru. Ces molécules ubiquitaires jouent des rôles variés dans les cellules. Le tableau suivant, où les ARN sont classés par dimension (longueur) croissante, en donne une idée.

C'est à ce niveau, avant même une séquestration nette dans des cellules séparées, que c'est élaboré le code génétique commun (à 99,9 %) à tous les organismes que nous connaissons. Néanmoins, on peut déjà dire qu'apparemment le code génétique s'est dès l'origine organisé en triplets de bases correspondante à un acide aminé. Cette organisation en triplet résulte peut être d'un problème de topologie, le repliement de l'ARN "de réserve" n'exposant que des suites de trois bases accessibles aux ARN " de transfert".

L'ancienneté des ARN de transfert est confirmée par leur structure très voisine chez des organismes pourtant très éloignés dans le temps et le champ de l'évolution:

ARNt (16S) de bactérie (E. Coli)	ARNt (16S) de chloroplaste (Végétaux)	ARNt (16S) d'amphibien (Xénope)

Il est extrémement intéressant que les résultats de l'étude détaillée des ribosomes actuels (Steitz, 2000) aient montré que c'est bien un  ARN  ribosomal, stabilisé, contraint par les protéines ribosomiales, qui catalyse la principale réaction chimique de liaison des acides aminés, à savoir une action peptidyl transferase. Ceci démontre que, conformément à ce que nous avons vu, le ribosome est bien le reliquat actuel des premières formes de vies, le lieu où c'est noué l'indispensable alliance des protéines et des acides nucléiques.

Structure d'un ribosome d'après les travaux de l'équipe de Steitz. Le site actif doit sa forme à l'assemblage protéine + AN mais son activité chimique est due aux ARN présents, se comportant comme un "ribozyme" et catalysant la polymérisation des acides aminés. Lien ci dessous vers ce remarquable laboratoire de l'université de Yale.

Le code génétique, un interessant fossile moléculaire

- les levures candida décodent CUG comme donnant une serine (à la place de la leucine)
- les mycoplasmes et les mitochondries utilisent UGA comme codon du tryptophane, alors que "normalement", c'est un codon STOP. Le codon AUA correspond également chez ces dernières à la méthionine au lieu de l'isoleucine. Il existe même des variations du code entre mitochondries appartenant à des espèces différentes.
- chez les paramécies, UAG donne la glutamine et non STOP.
- les algues unicellulaires acetabularia traduisent les codons STOP en glycine
Ces variations se retrouvant dans diverses lignées évolutives, ont doit en conclure que le code génétique est le résultat d'une évolution s'étant déroulée pendant plusieurs milliards d'années durant lesquelles des codes concurrents se sont affrontés pour la domination du vivant. Les possibilités étaient, au départ, immenses: il existe environ 2x10(18) codes différents possibles !

Apparemment, ce code s'est dès l'origine organisé en triplets de bases (appelés "codon") correspondantes à un acide aminé. Cette organisation en triplets résulte peut-être d'un problème de topologie, le repliement de l'ARN "de réserve" n'exposant que des suites de trois bases accessibles aux ARNt. Cependant, l'examen du code montre que ce sont surtout les deux premières bases qui sont importantes pour déterminer un acide aminé (ci dessous: code génétique primitif avec triplet à deux bases codantes)

Un code à deux "lettres codantes" aurait permis de distinguer 16 types d'acides aminés. C'est largement plus qu'il n'en faut, car de nombreux acides aminés peuvent être obtenus par modifications secondaire du squelette carboné d'un autre acide aminé. Ainsi, la glycine, le plus simple des acides aminés, peut il conduire à une douzaine d'autres AA! Il est plus que probable qu'à l'origine, le code génétique ne correspondanit qu'à quelques acides aminés (de nos jours, quelques organismes utilisent plus de 20 acides aminés en modifiant chimiquement un des 20 AA classique alors même qu'il est liè à son ARNt...).  Peut ont faire des suppositions sur le nombre initial d'AA codés? En se basant sur la nature chimique des acides aminés, on peut se limiter à un minimum de 3 AA originels (glycine, lysine, glutamine).

Les ancêtres des ARN de transfert auraient très bien pu se lier à davantage de bases de l'ARN, mais seules 2 de ces dernières auraient été déterminantes, la troisième le devenant de façon secondaire. On aurait très bien pu avoir aussi des ARNt ancestraux se liant à 7 bases de l'ARNm, par exemple, mais ne "lisant" que 3 de ces dernières.

Quelles sont les traces de l'ancienne conformation du code génétique ?

La topologie des chaînes latérales des acides aminés ainsi que le champ de forces qui leur est associé présentent des similarités avec celle de leur codon. Dans certains cas, le codon serait capable de se mouler sur les chaînes latérales. De plus, Certains acides aminés seraient capables de s'intercaler entre les bases de leur codon, se disposant de façon perpendiculaire à la chaîne d'ARN. Ce sont là des indices montrant qu'à l'origine il y avait bien un lien direct entre ARN et monomères des protéines: le code génétique ne résulte pas d'un processus aléatoire:

1.  Les acides aminés chimiquement semblables possèdent des codons apparentés. Les acides aminés chargés électriquement, par exemple, utilisent des codons riches en guanine et en adénine.
2. Les deux premiers nucléotides d'un codon séparent les AA hydrophyles et hydrophobes.
3. Le premier nucléotide indique des AA qui dérivent chimiquement les uns des autres.

•  A "signifiait" prendre une famille d'AA déterminée (dans laquelle les différents membres sont obtenus par modification chimique secondaire)
• U "signifiait" prendre un AA de la famille qui soit hydrophyle ou hydrophobe ?
• G "signifiait"... pas grand chose !
  

Les premiers ARN à s'être liés aux acides aminés ont constitué les ancêtres des ARN de transfert: leur ancienneté est, nous l'avons vu, confirmée par leur forme très voisine chez des organismes très éloignés évolutivement.

Code génétique de "toutes" les formes de vie terrestre connues actuelles  --->

L'universalité du code génétique limite fortement le nombre d'ancêtres communs: ce code commun nous indique qu'il n'y a apparemment qu'une quasi-espéce moléculaire qui a réussi à prendre l'ascendant sur toutes les autres. Pourquoi? La question reste ouverte, et l'on peut invoquer par exemple une meilleure disponibilité des acides aminés du code, ou une efficacité supérieure des synthèses qu'il dirige. Des recherches de simulation informatique de codes alternatifs (Freeland & Hurst, 1998, 2004) ont identifiées une caractéristique supplémentaire du code mettant en lumière les pressions de sélection auxquelles il a été soumis : le code actuel se révèle posséder 2 caractéristiques principales: il minimise les risques d'erreurs critiques (causées par un mauvais repliement des protéines) en exerçant une forte contrainte sur le caractère hydrophyle ou hydrophobe des AA alors qu'il "permet" des erreurs légères qui sont une des forces motrices de l'évolution des organismes.

l’étude du code génétique par modélisation informatique (Ycas M, 1999) montre que ce dernier ne correspond pas à un optimum de résistance aux erreurs de lectures et aux mutations. Des relations existant entre codon et propriétés physiques des AA, on en déduit que le lien codon-AA a été établit dès la mise en place de l’ancêtre de l’aminoacyl synthetase qui a lié AA et  tRNA, avant que le systéme actuel ne soit en place. On retrouve ici la préexistence de l'ancêtre des ribosomes  par rapport au code génétique, renforçant mon idée selon laquelle les ribosomes sont les reliquats des premières formes de vie.

Le code génétique est redondant, plusieurs triplets correspondant à un même acide aminé. Cette redondance pourrait s'expliquer par la coexistence ancienne de plusieurs codes différents, provenant de formes de vie différentes, qui se seraient par la suite organisés en un ensemble unique, par transfert d'information résultant de processus de fusion de cellules, à l'occasion des premiers phénomènes de nutrition par exemple, ou du développement de parasites ou de virus. Le tout était de parvenir à un échange de différents ARN de transfert, dont les séquences furent par la suite incorporées dans le génome ADN, lorsque cette molécule fit son apparition.

Séquestration
Le problème des membranes protectrices est d'une grande importance pour l'origine de la vie.Si l'on se rappelle la fragilité des polymères biologiques vis à vis de l'eau, le sel moyen de les protéger d'un dilution fatale est de les envelopper dans une membrane fortement hydrophobe.

Dans les cellules modernes, les membranes sont constituées de protéines insérées dans une double couche de phospholipides. La synthèse de ces dernier réclame des enzymes spécialisés, et on ne peut donc supposer qu'ils ait été présents à l'aube de la vie. D'autres composés présentant des propriétés similaires devaient assurer leur fonction. Le point commun à des molécules devant former des vésicules au contact de l'eau est qu'elles doivent être amphiphiles, c'est à dire composées de deux parties: une "tête" hydrophile se trouvant spontanément vers les molécules d'eau et une "queue" hydrophobe qui se dispose avec ses consoeurs.

Parmi les molécules qui se forment dans les conditions abiotiques, il en est qui vont posséder les propriétés adéquates à la formation de vésicules closes: elles ont été observées dans la météorite de Murchison, donc leur synthèse dans le milieu interstellaire est possible. Elle a été réalisée expérimentalement (Bernstein, 1999), à partir de glace d'eau, de ammoniac et de méthanol exposée à un rayonnement UV. On obtient des composés amphiphiles d'une dizaine d'atomes de carbone, qui peuvent s'organiser en vésicules closes dans l'eau liquide. Outre les UV, les protons émis dans les vents stellaires peuvent aussi conduire à la formation de ces molécules. Cela permet leur synthèse dans les profondeurs sombres et froides (- 258 °C!) des nuages protoplanétaires, là où ne pénétrent pas les photons UV (Dworkin, 2004).

Ces molécules pourraient être, par exemple, des phosphates de polyprényl (polymères de l'isoprène) qui peuvent être synthésisés à partir de formaldéhyde et d'acide phosphorique. Ces molécules ne sont pas des inconnues: elles sont présente dans toutes le membranes ou elles jouent le rôle de stabilisateurs (caroténoïdes, cholestérol), de transporteur (ubiquinones) ou de point d'ancrage (géranyl-géraniol, farnésol) pour d'autres molécules.

Voici a quoi aurait pu ressembler un des premiers organismes vivants: sur un ou plusieurs supports cristallins, les acides nucléiques sont reliés par des peptides à une membrane terpénique. L'évolution moléculaire tend à augmenter la taille et la complexite des peptides, qui stabilisent l'ensemble. La croissance cristalline créée des tensions sur les mmebranes, aboutissant à leur rupture progressive: la reproduction est en route! Ces organismes fixent le carbone atmosphérique via un cycle qui, outre la production d'énergie, alimente les supports cristallins. Ces derniers vont progressivement perdre de l'importance lorque les capacités autoreproductrices de l'ARN (ou de son ancétre) vont se manifester et s'améliorer. Les peptides, qui sont apparu dans un milieu riche en composé minéraux, utilisent ceux cis pour leur topologie: c'est l'origine des cofacteurs minéraux, ainsi que du rôle joué par le Zn dans le repliement des acides nucléiques. A ce stade, ite missa ect....

Reproduction

Si la synthèse de ces molécules a été favorisée sur les grains d'origine interstellaire, ceux ci ont du se retrouver englobés dans des vésicules qui les isolait de l'extérieur, et en particulier du milieu aqueux. A l'intérieur de ces paleomembranes on retrouvait un milieu réactionnel hydrophobe, susceptible d'orienter des molécules, de tordre des acides aminés et de favoriser certaines réactions chimiques. Ainsi, les molécules hydrophobes présentent dans l'eau ont tendance à s'accumuler entre les deux feuillets membranaires. On a donc pu avoir liaison entre les peptides s'ancrant et prenant leur origine dans la membrane et ceux se développant à la surface des grains : les membranes aurait été alors fortement "arrimées " aux particules ribonucléiques, constituant ainsi les premières véritables paleocellules. La croissance continue de la membrane peut en outre déclencher des phénomènes de bourgeonnement, de scission en deux vésicules (Luisi, 1998). Comme nous avons vu que nos particules ribosomiales peuvent se retrouver liées à la membrane, le bourgeonnement de celle ci entraîne une scission de ces particules: la reproduction est en marche!

Vu la taille des premières structures autoreproductibles, leur auto-enfermement dans des vésicules a du être rapide. Cette petite taille favorisant, en outre, les liaisons entre membrane et peptides, eux mêmes liés à lancêtre de l'ARN: on n'était dés lors plus très loin d'une cellule !

L'organisation des premiers génomes devait ressembler à ce que nous observons actuellement chez certains protozoaires: les séquences génétiques différentes, de petite taille, étaient présentes sous forme de nombreuses copies séparées. Lors des divisions accidentelles, puis organisées, des premières cellules, les différentes copies étaient réparties au hasard entre les cellules filles.

Non seulement les vésicules bourgeonnaient, mais elles était aussi capables de fusionner, mélangeant ainsi des matériaux génétiques divers dans un grand "marché commun" : les premiers génomes n'ont jamais été stables, et plutot que de parler de cellules indiduelles il conviendrait mieux de considérer les premiers êtres vivants comme les membres d'un réseau génétique d'échanges qui se stabilisera ultérieurement (Woese, 1998) pour donner les 3 grandes familles actuelles (procaryotes, archeobactéries et eucaryotes).  On en déduit qu'il n'y a jamais eu, en fait, d'ancêtre commun à toutes les formes de vies actuelles, mais une "soupe génétique" commune d'où ont émergé au moins trois lignées distinctes. On passe en fait de l'idée d'un "ancêtre commun" à celui d'un "ancêtre communautaire" !

Le schéma ci contre  résume ce que nous savons des premiers pas des formes de vies élaborées après leur apparition: comme on le voit, leur environnement (Zahnle, 1996) était loin d'être d'un calme olympien !

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