Comment la « transversalité » moléculaire est apparue au début de la biologie


Les molécules présentent souvent une asymétrie structurelle appelée chiralité, ce qui signifie qu’elles peuvent apparaître dans des versions alternatives, en image miroir, semblables aux versions gauche et droite des mains humaines. L’un des grands mystères entourant les origines de la vie sur Terre réside dans le fait que pratiquement toutes les molécules fondamentales de la biologie, telles que les éléments constitutifs des protéines et de l’ADN, apparaissent sous une seule forme chirale.

Les chimistes de Scripps Research, dans deux études de grande envergure, ont proposé une solution élégante à ce mystère, montrant comment cette autonomie ou « homochiralité » aurait pu s'établir en biologie.

Les études ont été publiées dans le Actes de l'Académie nationale des sciences le 5 février 2024, et à Nature le 28 février 2024. Ensemble, ils suggèrent que l'émergence de l'homochiralité était due en grande partie à un phénomène chimique appelé résolution cinétique, dans lequel une forme chirale devient plus abondante qu'une autre en raison d'une production plus rapide et/ou d'un épuisement plus lent.

“Il y a eu de nombreuses propositions sur la manière dont l'homochiralité a émergé dans des molécules spécifiques – des acides aminés spécifiques, par exemple – mais nous avions vraiment besoin d'une théorie plus générale”, déclare Donna Blackmond, PhD, professeur et titulaire de la chaire John C. Martin du département. de chimie à Scripps Research, qui a dirigé les deux études.

L'étudiant diplômé Jinhan Yu et l'associé de recherche postdoctoral Min Deng, PhD, ont été les premiers auteurs des deux études.

L’énigme de l’homochiralité

La chimie de « l’origine de la vie » est un domaine très actif depuis une grande partie du siècle dernier. Ses praticiens ont découvert des dizaines de réactions clés qui se sont vraisemblablement produites sur la Terre primitive, « prébiotique », pour produire les premiers ADN, ARN, sucres, acides aminés et autres molécules qui soutiennent la vie. Il manque cependant dans cet ensemble de travaux une théorie prébiotique plausible sur l’émergence de l’homochiralité.

“Il y a eu une tendance dans le domaine à ignorer le problème de la chiralité lorsqu'on recherche des réactions plausibles qui auraient pu produire les premières molécules biologiques”, explique Blackmond. “C'est frustrant, car sans réactions favorisant l'homochiralité, nous n'aurions pas la vie.”

Les réactions chimiques ordinaires qui produisent des molécules chirales ont tendance à produire des mélanges égaux (« racémiques ») de formes gauches et droites. En dehors de la biologie, ce mélange n’a généralement pas d’importance, car les deux formes ont généralement des propriétés similaires ou identiques. Cependant, en biologie, en raison d'une homochiralité étendue, il arrive généralement que seule la forme gauche ou droite d'une molécule chirale possède des propriétés utiles, l'autre pouvant être inerte ou même toxique. Ainsi, les cellules guident souvent les réactions pour produire des formes chirales spécifiques, en utilisant des enzymes hautement évoluées.

Cependant, la Terre prébiotique n’aurait pas eu de telles enzymes – alors comment l’homochiralité est-elle apparue ?

Un résultat paradoxal

Dans leur étude en Actes de l'Académie nationale des sciences, Blackmond et son équipe ont résolu ce problème pour les acides aminés. Ces petites molécules organiques sont utilisées comme éléments constitutifs des protéines par tous les êtres vivants sur Terre, mais n'existent en biologie que sous forme chirale gauche.

Les chercheurs ont spécifiquement cherché à reproduire l’homochiralité dans un processus central de la production d’acides aminés appelé transamination, en utilisant une chimie relativement simple et plausiblement prébiotique qui exclut les enzymes complexes.

Lors des premiers tests, la réaction expérimentale de l’équipe a fonctionné et a donné des acides aminés enrichis pour une forme chirale par rapport à l’autre. Le problème était que la forme privilégiée était la forme droitière – celle que la biologie n’utilise pas.

“Nous sommes restés bloqués pendant un moment, puis l'ampoule s'est allumée. Nous avons réalisé que nous pouvions effectuer une partie de la réaction en sens inverse”, explique Blackmond.

Lorsqu’ils faisaient cela, la réaction ne produisait plus préférentiellement des acides aminés droitiers. Dans un exemple frappant de résolution cinétique, il a plutôt consommé et épuisé préférentiellement les versions droites, laissant davantage d’acides aminés gauchers souhaités. Cela a ainsi servi de voie plausible vers l’homochiralité pour les acides aminés utilisés dans les cellules vivantes.

Lier tout cela ensemble

Pour le Nature Dans cette étude, les chimistes ont exploré une réaction simple par laquelle les acides aminés des premières formes de vie auraient pu être liés entre eux pour former les premières protéines courtes (également appelées peptides). La réaction avait été publiée plus tôt par un autre chercheur, mais n'avait jamais été étudiée pour sa capacité à produire des peptides homochiraux à partir de mélanges d'acides aminés racémiques ou quasi-racémiques.

Une fois de plus, les chimistes se sont heurtés à ce qui semblait être un obstacle insurmontable : ils ont découvert qu'en formant des chaînes peptidiques d'acides aminés, la réaction fonctionnait plus rapidement pour les liaisons d'acides aminés gauches avec des acides aminés droits — l'opposé de l'homchiral souhaité. peptides.

Pourtant, l’équipe a persévéré. En fin de compte, ils ont découvert que lorsqu'un type d'acide aminé dans le pool d'acides aminés de départ présentait même une dominance modérée de la forme gaucher – comme leur autre étude l'a rendu plausible – le taux de réaction plus rapide pour les gauchers vers les acides aminés gauchers. les liaisons droites épuisent préférentiellement les acides aminés droitiers, laissant une concentration toujours plus grande d’acides aminés gauchers. De plus, les peptides gauche-droite-gauche-droite avaient une plus forte tendance à s’agglutiner et à tomber de la solution sous forme de solides. Ces phénomènes liés à la résolution cinétique ont ainsi fini par donner une solution étonnamment pure de peptides presque entièrement gauchers.

Pour Blackmond, les mécanismes apparemment paradoxaux découverts dans ces études offrent la première explication large et convaincante de l'émergence de l'homochiralité – une explication qui fonctionne probablement non seulement pour les acides aminés, dit-elle, mais aussi pour d'autres molécules fondamentales de la biologie telles que l'ADN. et l'ARN.

Le financement des deux études a été fourni par la Fondation Simons par le biais de la Collaboration Simons sur les origines de la vie (SCOL 287625) et par la Chaire John C. Martin en chimie de Scripps Research.

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