Il y a des milliards d'années, les molécules d'une Terre sans vie et tumultueuse se sont mélangées, formant les premières formes de vie. Eons plus tard, une forme de vie plus grande et plus intelligente se blottit dans des expériences de laboratoire essayant de comprendre ses propres débuts.
Alors que certains disent que la vie a émergé de simples chaînes de molécules, d'autres disent que les premières réactions chimiques ont formé de l'ARN auto-répliquant. Un parent de l'ADN, l'ARN agit comme un décodeur ou messager de l'information génétique.
Une nouvelle étude fournit des preuves de l'idée de l'ARN, qui est connue comme «l'hypothèse du monde de l'ARN». Mais au moins un ingrédient de l'ARN précoce peut différer de ce qui se trouve sous sa forme moderne, a rapporté un groupe de scientifiques le 3 décembre dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences.
L'ARN moderne, aux côtés de son épine dorsale de sucre et de phosphate, est composé de quatre éléments constitutifs principaux: les nucléobases appelées adénine (A), cytosine (C), guanine (G) et uracile (U).
Mais il s'avère que l'ARN précoce peut avoir eu une nucléobase qui ne fait pas partie de la forme moderne.
Dans de minuscules tubes en plastique, les chercheurs ont mis de l'eau, un peu de sel, un tampon pour maintenir le pH basique et des ions magnésium pour accélérer les réactions. Ces conditions sont similaires à celles que l'on trouve dans un lac ou un étang d'eau douce, un lac de cratère ou le type de lac ou de piscine trouvé dans des régions volcaniques telles que le parc national de Yellowstone - tous des endroits où la vie aurait pu commencer.
Les chercheurs ont ensuite ajouté un petit morceau d'ARN appelé amorce attaché à un morceau d'ARN plus long appelé matrice. Un nouvel ARN est créé lorsqu'une amorce copie l'ARN modèle, par appariement de bases. Les nucléobases correspondent de façon unique les unes aux autres; C ne se lie qu'avec G, et A ne se lie qu'avec U.
Les chercheurs ont ajouté les nucléobases (A, C, G et U) afin qu'elles puissent se lier à la matrice et ainsi étendre la pièce la plus courte, l'amorce. Les résultats ont montré qu'avec les ingrédients de l'ARN moderne, la réaction n'a pas fonctionné assez rapidement pour que l'ARN puisse se former et se répliquer sans erreur.
Mais ensuite, les chercheurs ont ajouté un autre produit chimique, appelé inosine, dans le mélange, au lieu de la molécule à base de guanine. Après cela, les chercheurs ont été surpris de constater que l'ARN pouvait se former et se répliquer un peu plus précisément que dans un mélange avec de la guanine.
Ce mélange n'a pas provoqué ce qu'on appelle une «catastrophe d'erreur», ce qui signifie que les mutations ou les erreurs aléatoires dans les réplications sont restées en dessous d'un seuil, assurant qu'elles pourraient être éliminées avant de s'accumuler.
"Le fait de surmonter le problème de la catastrophe d'erreur est un important test de signification", a déclaré David Deamer, biologiste à l'Université de Californie à Santa Cruz, qui ne faisait pas partie de l'étude. Son seul reproche est l'affirmation selon laquelle l'inosine est plus plausible dans la fabrication d'ARN primitif que d'autres bases alternatives, a déclaré Deamer. Il ne pense pas encore que les autres bases devraient être exclues, car "c'est une affirmation assez large ... basée sur une réaction chimique très spécifique", a déclaré Deamer à Live Science.
Mais parce que l'inosine peut être facilement dérivée d'une autre paire de bases, l'adénine, elle rend le processus de création de la vie "plus facile" que si vous deviez fabriquer de la guanine à partir de zéro, a déclaré John Sutherland, chercheur sur les origines chimiques de la biologie moléculaire au MRC. Laboratoire de biologie moléculaire au Royaume-Uni, qui ne faisait pas partie de l'étude non plus.
Les résultats brisent "la sagesse conventionnelle selon laquelle l'inosine n'aurait pas pu être utile", a déclaré Sutherland à Live Science. L'inosine avait gagné cette réputation car il travaille un travail très spécifique sous une forme d'ARN appelé ARN de transfert, qui décode les informations génétiques.
On pensait que l'inosine «vacillait» ou se liait à diverses paires de bases plutôt qu'à une seule. Cela en aurait fait une mauvaise molécule pour donner des instructions uniques pour former un nouvel ARN, car il n'y aurait pas eu de direction claire pour ce avec quoi l'inosine pourrait se lier. Et ainsi, "beaucoup d'entre nous avaient pensé à tort que c'était une propriété inhérente de l'inosine", a déclaré Sutherland. Mais cette étude a montré que l'inosine, dans le premier contexte mondial où l'ARN est apparu pour la première fois, ne vacille pas, mais se combine plutôt de manière fiable avec la cytosine, a-t-il ajouté.
"Tout cela a du sens maintenant, mais sur la base des résultats plus anciens, nous ne nous attendions pas à ce que l'inosine fonctionne aussi bien que cela", a déclaré l'auteur principal de l'étude Jack Szostak, professeur de chimie et de biologie chimique à l'Université de Harvard, qui est également lauréat du prix Nobel.
Szostak et son équipe tentent maintenant de comprendre en quoi cet ARN primitif aurait pu être différent de l'ARN moderne - et comment il s'est finalement transformé en ARN moderne. De plus, une grande partie de leur laboratoire se concentre sur la façon dont les molécules d'ARN se répliquent avant que les enzymes évoluent. (Les enzymes sont des protéines qui accélèrent les réactions chimiques.)
"C'est un grand défi", a déclaré Szostak à Live Science. "Nous avons fait beaucoup de progrès, mais il reste des énigmes non résolues."
Sutherland a également noté que le champ passe généralement d'une pure «hypothèse du monde de l'ARN» à une autre qui voit plus de composants mélangés dans le chaudron qui a créé la vie. Il s'agit notamment des lipides, des peptides, des protéines et des sources d'énergie. Il a ajouté que dans l'esprit des chercheurs, "c'est un monde d'ARN moins puriste qu'auparavant."
