Une chimie avant la vie

Nous vivons dans un monde dont l'atmosphère contient 20% de dioxygène. Cependant, ce gaz est corrosif et les êtres vivants s'en protègent par des dispositifs variés. Des enzymes comme la cathalase, la peroxydase ou la superoxyde dysmutase permettent au métabolisme de résister à l'action délétère de l'oxygène et de ses dérivés.

Pour les bactéries anaérobies qui ne disposent pas de ces protections, l'oxygène est toujours un poison mortel. Sans oxygène, pas d'ozone pour nous protéger des UV solaires qui arrivaient directement au sol, apportant l'énergie nécessaire aux synthèse chimiques à partir des éléments minéraux disponibles: H2O, le CO2 et NH3.

De nombreux indices montrent que l'oxygène était absent au début de la vie:

• des dépôt d'uraninite UO2 datant de cette époque sont constitués. Ors, l'uraninite est dégradée en U3O8 soluble si la teneur en O2 est supérieure à 1%
• Des couches rouge d'hématite Fe2O3 nous indiquent une teneur croissante en oxygène avec le temps. Il est à noter que de tels dépôts d'hématite ont été identifiés sur Mars, renforçant encore l'hypothèse selon laquelle Mars et la Terre ont évolué de concert après leur formation.
• Des formations de fer rubanné se sont déposées lorsque la teneur en O2 a augmenté, transformant le Fe2+ soluble en Fe3O4 insoluble qui a précipité avec de la silice
• Le métabolisme des êtres vivant garde la trace de cette époque: toutes les réactions chimiques de base se déroulent en l'absence d'oxygène. L'étude du métabolisme est importante pour définir les origines de la vie: c'est un fossile moléculaire gardant intact des indices précieux sur l'aube de la vie...

ainsi, les réactions énergétiques qui permettent aux êtres vivant de récupérer de l'énergie à partir des molécules de leur alimentation sont de 3 type différents:

• la fermentation est le moyen le plus ancien, de nombreuses cellules privées d'oxygène doivent y recourir, comme les cellules musculaires par exemple. C'est la dégradation d'une molécule de glucose en 2 molécules de pyruvate. Celui ci est ensuite dégradé en acide lactique ou en alcool éthylique, mais constitue toujours un déchet. Chaque molécule de glucose dégradée permet de mettre en réserve deux "unités énergétiques" (UE) constitués par des liaisons phosphates riches en énergie.
• la respiration utilise l'oxygène pour dégrader le pyruvate sous forme de CO2 et H2O. 36 UE sont récupérées pour 1 molécule de glucose dégradée! C'est ainsi que fonctionnent les cellules de notre organisme. Si elles sont privées d'oxygène, elles "retombent en enfance" et effectuent des fermentations.
• la photosynthèse est utilisée par les végétaux et permet de construire des molécules telles que le glucose à partir du CO2 et de l'énergie lumineuse.

Dans l'expérience de Miller, des décharges électriques dans des mélanges de H2,CH4,NH3 et H2O donnent des aldéhydes, des acides carboxyliques et des acides aminés. Les mêmes résultats sont obtenus avec un mélange gazeux contenant du CO, du CO2 et de l' N2 (si le milieu réactionnel ne contient pas d'oxygène).

Comment sont apparus les molécules du vivant ?

• les protéines qui sont des enchaînements d'acides aminés constituent les structures des cellules. Dans les cellules, on trouve seulement 20 acides aminés différents
• l'ADN et l'ARN contiennent et transmettent les informations qui permettent la reproduction et le fonctionnement des cellules. Ils sont formés de l'enchaînement d'acides nucléiques. Il existe 5 acides nucléiques utilisés par les êtres vivants. L'ARN est capable de se répliquer lui même et fut sans doute le premier acide nucléique des êtres vivants. Pour le fabriquer, il faut disposer d'un sucre, le ribose, de phosphate et de 4 bases différentes.

Une centaine de molécules diverses sont aujourd'hui connues dans l'espace interstellaire, dont certaines comportant plusieurs dizaines à plusieurs centaines d'atomes de carbone. Les comètes, très nombreuses après la formation du système solaire, ont également été une source de HCN, CO2, formaldéhyde, méthanol, CO, NH3 et H2S mais également d'eau pour l'atmosphère primitive. Les premières molécules intervenant sont le HCN, le cyanogène C2N2 ainsi que des aldéhydes. Les AA se sont formés à partir de ces précurseurs, par la synthèse dite de Strecker. Des hydroxyacides peuvent se former de la même façon, comme l'acide glycolique, le glycocolle, l'acide lactique où l'alanine. Les sources d'énergie disponibles ne sont pas que les UV, au demeurant pas toujours efficace pour tous les gaz (ils sont surtout absorbés par H2S et NH3). Les éclairs, la radioactivité ainsi que les ondes de choc des impacts météoritiques et cométaires ont pu apporter l'énergie nécessaire aux synthèses prébiotiques. On peut également noter que la présence d'ions Zn favorise la polymérisation des AA en peptides. Des minéraux apportant cet ion ont aidé à l'éllaboration des premiers peptides... Les éclairs offraient l'avantage de fournir une grande quantité d'énergie à des endroits bien localisés. Ci contre: une voie de synthèse des acides aminés se produisant dans deux milieux: dans l'atmosphère jusqu'au stade aminonitrile, puis dans les océans ou en milieu liquide ensuite.

• Les sucres peuvent être obtenus par condensations formolique, certaines bases peuvent dériver de l'acide cyanhydrique (bases puriques: adénine et guanine) grâce à un intermédiaire, le diaminomaléodinitrile. La synthèse des autres bases (pyrimidiques: l'uracile, la thymine et la cytosine) est bien plus problématique.

condensation formolique aboutissant au ribose

Il faut toutefois remarquer que la synthèse de ribose "seul" est problématique. Le rendement des réactions envisagées est mauvais, et les conditions réactionelles spéciales. De plus, l'addition du ribose sur les bases est encore un mystère: le mécanisme est inconnu pour les purines, et n'a été obtenu avec des pyrimidines qu'avec des molécules de cette famille qui ne sont pas les bases des acides nucléiques actuels.

synthèse des Acides Nucléiques:

La condensation de l'adénine et du ribose donne de l'adénosine, un nucléotide qui en se liant à 3 groupes phosphate donne de l'Adénosine Tri Phosphate, toujours utilisé pour transférer l'énergie dans les êtres vivants.

Pourquoi utiliser l'ATP et non pas la Guanine Tri Phosphate (GTP), la Cytosine Tri Phosphate (CTP) ou l' Uracyle Tri Phosphate (UTP)? La synthèse de l'adénine se révélant plus facile, peut être cette molécule fut elle tout simplement celle qui était le plus aisément disponible.

Ci contre: voie de synthèse prébiotique de l'adénine. Le rendement de cette réaction est cependant trés faible.

La "voie des purines"

L'examen du métabolisme commun à toutes les cellules (eucaryotes, procaryotes...) donnent quelques indices montrant que les bases puriques (A et G) ont probablement été les premiers nucléotides utilisés par le vivant (hypothèse personelle). En effet, la synthèse des purines présente nombre de caractères indiquant qu'il s'agit d'un mécanisme plus fondamental, plus basique que celui des pyrimidines. Par exemple, la fabrication de pyrimidines nécéssite l'existence préalable de molécules basées sur l'adénine, alors que le contraire n'est pas vrai.

Le tableau ci dessous met en lumière ces différences:

Molécules	Purines	pyrimidines
précurseurs de la synthèse	à partir de molécules simples: CO2, glycocolle, glutamine, Acide aspartique, acide tetrahydrofolique. La néosynthèse est plus importante que la récupération d'origine alimentaire.	glutamine nécessite l'intervention du NAD (donc la présence d'adénine!)
mode de synthèse	Le ribose constitue la base sur laquelle le cycle est progressivement édifié.	le cycle est synthétisé puis fixé au ribose.
cofacteurs de la synthèse	minéraux: 2 Mg 2+, K+	Organique: NAD
lieu de synthèse	Cytoplasme puis interconvertions en mitochondries	Cytoplasme
"matériel" moléculaire pour la synthèse	IMP, 9 ATP (donc de l'adénine!). 10 enzymes 2 coenzymes (toutes cellules sauf lymphocytes)	la conversion U--->C nécéssite de l'ATP, donc... de l'adénine!

Ces données plaident en faveur d'une utilisation préférentielle des purines au début du code génétique: le premier code pourrait avoir reposé sur un acide nucléique formé d'un simple brin de purines...

Synthèse des pyrimidines (cytosine et uracile)

ILa cytosine peut être obtenue dans les expériences type Miller, à partir de cyano-acetylene et de cyanate obtenus par décharge électrique dans une atmoisphère contenant un mélange de méthane et d'azote. Toutefois, Miller lui même fait remarquer que " this reaction requires relatively high concentrations of cyanate (>0.1 M), which are unlikely to occur in aqueous media as cyanate is hydrolysed rapidly to CO2 and NH3. " (cette réaction necessite des concentrations relativement élevées en cyanate (> 0,1 mol/L), qui ne peuvent être obtenues en milieu aqueux où le cyanate est rapidement hydrolysé en CO2 et NH3) - Michael P. Robertson, Stanley L. Miller. An efficient prebiotic synthesis of cytosine and uracil. Nature 375, 772-774 (29 Juin 1995) . Ces mêmes auteurs proposent alors une voie de synthèse basée sur le cyanoacetaldehyde provenant de l'hydrolyse du cyanoacetylene, réagissant avec de l'urée. 

Si cette dernière molécule est présente en abondance (en bord de lacs en cours d'évaporation, par exemple), alors le cyanoacetaldehyde conduit à la formation de cytosine avec un rendement compris entre 30 et 50%. L'uracile peut se former par hydrolyse de cette molécule.

Autre problème à résoudre:  on trouve aujourd'hui dans l'ARN une liaison bêta 1' alors que des alpha et bêta 1', 2' et 3' étaient aussi possibles et tout aussi probables. Pourquoi cette liaison à t'elle été selectionnée par l'évolution ? Il semble que des ions minéraux puissent expliquer cette sélectivité: de nos jours encore, la synthèse d'ADN et d'ARN est sous la dépendance des ions Mg et surtout Zn qui orientent le sens des synthèses. Voici encore un indice de l'implication des minéraux dans l'origine de la vie.

Nous savons que des molécules de synthèse peuvent catalyser leur reproduction, évoluer et se disputer les ressources de leur milieu. C'est le cas de l'ARNI (adénine ribose naphtalène imide) qui peut se répliquer ou s'associer avec elle même, ou de la diaminotriazine xanthène thymine (DIXT). Ces molécules comprenant des acides nucléiques peuvent d'ailleurs se lier et engendrer par recombinaison d'autres molécules douées d'autoreplication ou non. (J.Rebek - Pour La Science 203 - sept 1994).

Pour qu'une molécule soit capable de s'autorépliquer, sa forme est primordiale ainsi que la répartition des forces exercées par les différents groupements moléculaires qui la compose. Ces forces peuvent orienter et attirer les molécules de base, et la forme de la molécule permettre le rapprochement des diverses molécules afin de faciliter leur réaction: c'est le mode de fonctionnement des enzymes de nos cellules.

2 - La polymérisation des monomères

Il a donc fallu que le milieu favorise la polymérisation. Pour cela, il était nécessaire de concentrer les réactifs ou d' enlever l'eau, et de coupler la réaction à une autre qui libérerait de l'énergie. En effet, l'allongement d'un polymère nécessite de l'énergie, qui doit être fournie par couplage avec d'autres réactions chimiques par exemple, alors que l'hydrolyse libère de l'énergie, ce qui lui permet de se produire spontanément. Il a donc fallu que la polymérisation soit couplée à une autre réaction lui fournissant l'énergie dont elle a besoin.

Certains composés comme le carbodiimide (-N=C=N-) fournissent assez d'énergie pour une polymérisation. D'autres agents de couplage sont le cyanogène, le cyanamide, les cyanoacétylène et le diaminomaléodinitrile (leur énergie est stockée dans une triple liaison CC ou CN). Pourquoi les agents de couplage ne réagissaient ils pas plutôt avec l'eau qu'avec les monomères présents? La liaison entre les monomères et des ions phosphates ont pu favoriser ce couplage au détriment de l'eau. Par cette voie, on a obtenu des synthèses de polyphosphates (AN ). Les polyphosphates sont utilisés encore de nos jours par certaines bactéries qui stockent leur énergie dans des corpuscules à polyphosphates dans leur cytoplasme.

• L'adsorption sur des minéraux argileux du type montmorillonite permet d'offrir une grande surface réactionelle aux molécules qui sont d'ailleurs orientées pars les forces électrostatiques s'exercant au niveau moléculaires entre les différents feuillets de ces minéraux, le tout en limitant la quantité d'eau présente.
• Le mélange réactionnel peut être concentré par évaporation ou congélation.
• Des réactions de chimie sèche sont possibles: S.Fox a montré que des AA sec polymérisent à 130°C . On obtient alors des "thermo-protéinoïdes", des molécules qui seraient les ancêtres des protéines. Avec des polyphosphates, la polymérisation à sec se produit à 60°C (On peut ainsi aboutir à des polymères de 200 AA environ)

3 - Ségrégation dans des milieux protégés (membranes) des polymères obtenus

Les polymères tels que AN et protéines en solution ont tendance à former des gouttelettes nommées coacervats. Ces gouttelettes sont plus ou moins stables et peuvent concentrer des molécules en fonction de leur solubilité.

On peut également envisager la formation de membranes protéiques (comme pour les capsides de virus).

4 - Développement d'un mécanisme de reproduction

Ce mécanisme devrait se baser sur une polymérisation autocatalytique. Il est probable que les premières molécules autoréplicantes étaient très simples, comportant peu de monomères. Leur réplication en fonction des apports du milieu faisant augmenter le volume des membranes les contenant, celles ci finissent par éclater en en formant de plus petites.

L'environnement dans lequel la vie est apparue était très différent du notre, surtout en ce qui concerne la température et la composition de l'atmosphère. Les débats sont encore vif en ce qui concerne la température à l'époque prébiotique: alors qu'une origine chaude semblait se dégager, l'étude des molécules d'ARN des organismes actuels montrent que les séquences sélectionnées ne sont pas celles qui résistent le plus à la chaleur. Par contre, il ne fait aucun doute que l'atmosphère primitive était dépourvue d'oxygène: ce gaz est une signature de la vie végétale.

Dés son apparition, la vie détruisit les conditions de son éclosion. a partir du CO2 atmosphérique, les premiers organismes photosynthétiques ont formé du glucose en dissociant H2O avec l'énergie lumineuse, en libérant O2 comme produit de la réaction. Le milieu n'est pas un ensemble éternel dont la composition est fixé et doit à toute force être préservée: pour les premières cellules, l'oxygène était un polluant mortel! Il est logique que le milieu évolue, et que nous contrôlions cette évolution...