Une équipe de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munich a montré que de légères altérations des molécules d’ARN de transfert (ARNt) leur permettaient de s’auto-assembler en une unité fonctionnelle able de répliquer les informations de manière exponentielle. Les ARNt sont des éléments clés de l’évolution des premières formes de vie.



La vie telle que nous la connaissons est basée sur un réseau complexe d’interactions, qui se déroulent à des échelles microscopiques dans des cellules biologiques, et impliquent des milliers d’espèces moléculaires distinctes. Dans notre corps, un processus fondamental se répète d’innombrables fois par jour. Dans une opération connue sous le nom de réplication, les protéines dupliquent les informations génétiques codées dans les molécules d’ADN stockées dans le noyau cellulaire – avant de les distribuer également aux deux cellules filles pendant la division cellulaire. Les informations sont ensuite copiées sélectivement (« transcrites ») dans ce que l’on appelle des molécules d’ARN messager (ARNm), qui dirigent la synthèse des nombreuses protéines différentes requises par le sort cellulaire concerné. Un deuxième style d’ARN – l’ARN de transfert (ARNt) – joue un rôle central dans la « traduction » des ARNm en protéines. Les ARN de transfert agissent comme des intermédiaires entre les ARNm et les protéines: ils garantissent que les sous-unités d’acides aminés dont chaque protéine particulière est constituée sont rassemblées dans la séquence spécifiée par l’ARNm correspondant.

Le problème de la poule et de l'œuf

Comment une conversation aussi complexe entre la réplication de l’ADN et la traduction des ARNm en protéines a-t-elle pu survenir lorsque les systèmes vivants ont évolué pour la première fois sur la Terre primitive ? Nous avons ici un exemple classique du problème de la poule et de l’œuf: les protéines sont nécessaires à la transcription de l’information génétique, mais leur synthèse elle-même dépend de la transcription.



Les physiciens du LMU dirigés par le professeur Dieter Braun ont maintenant démontré remark cette énigme aurait pu être résolue. Ils ont montré que des modifications mineures dans les structures des molécules d’ARNt modernes leur permettaient d’interagir de manière autonome pour former une sorte de module de réplication, able de répliquer de manière exponentielle les informations. Cette découverte implique que les ARNt – les intermédiaires clés entre la transcription et la traduction dans les cellules modernes – pourraient également avoir été le lien vital entre la réplication et la traduction dans les premiers systèmes vivants. Il pourrait donc apporter une option claire à la dilemma de savoir qui est venu en leading – details génétique ou protéines ?

De manière frappante, en termes de séquences et de framework globale, les ARNt sont hautement conservés dans les trois domaines de la vie, à savoir les archées et bactéries unicellulaires (qui n’ont pas de noyau cellulaire) et les eucaryotes (organismes dont les cellules contiennent un vrai noyau). Ce fait en soi suggère que les ARNt sont parmi les molécules les in addition anciennes de la biosphère.

Comme les étapes ultérieures de l’évolution de la vie, l’évolution de la réplication et de la traduction – et la relation complexe entre elles – n’a pas été le résultat d’un seul pas soudain. Il est mieux compris comme le place culminant d’un voyage évolutif. « Des phénomènes fondamentaux tels que l’auto-réplication, l’autocatalyse, l’auto-organisation et la compartimentation ont probablement joué un rôle vital dans ces développements », déclare Dieter Braun. « Et sur une take note furthermore générale, ces processus physiques et chimiques dépendent entièrement de la disponibilité d’environnements qui fournissent des situations de non-équilibre. »

Dans leurs expériences, Braun et ses collègues ont utilisé un ensemble de brins d’ADN réciproquement complémentaires modelés sur la forme caractéristique des ARNt modernes. Chacun était composé de deux « épingles à cheveux  » (ainsi appelées parce que chaque brin pouvait partiellement s’apparier avec lui-même et previous une structure en boucle allongée), séparés par une séquence d’information au milieu. Huit de ces brins peuvent interagir through un appariement de bases complémentaire pour previous un complexe. En fonction des modèles d’appariement dictés par les régions informationnelles centrales, ce complexe était capable de coder un code binaire à 4 chiffres.

Chaque expérience a commencé avec un modèle – une framework informationnelle composée de deux kinds de séquences d’information centrales qui définissent une séquence binaire. Cette séquence a dicté la forme de la molécule complémentaire avec laquelle elle peut interagir dans le pool de brins disponibles. Les chercheurs ont ensuite démontré que la structure binaire modélisée peut être copiée à plusieurs reprises, c’est-à-dire amplifiée, en appliquant une séquence répétée de fluctuations de température entre le chaud et le froid. « Il est donc concevable qu’un tel mécanisme de réplication ait pu avoir lieu sur un microsystème hydrothermal sur la Terre primitive », explique Braun. En particulier, des options aqueuses piégées dans des roches poreuses sur le fond marin auraient fourni un environnement favorable pour de tels cycles de réaction, car les oscillations naturelles de température, générées par les courants de convection, sont connues pour se produire dans de tels contextes.

Pendant le processus de copie, des brins complémentaires (tirés du pool de molécules) s’associent avec le phase informationnel des brins de modèle. Au fil du temps, les épingles à cheveux adjacentes de ces brins se couplent également pour former un squelette stable, et les oscillations de température continuent à conduire le processus d’amplification. Si la température est augmentée pendant une brève période, les brins de modèle sont séparés du réplicat nouvellement formé, et les deux peuvent alors servir de brins de modèle dans le prochain cycle de réplication.

L’équipe a pu montrer que le système est capable de réplication exponentielle. C’est une découverte importante, auto elle montre que le mécanisme de réplication est particulièrement résistant à l’effondrement en raison de l’accumulation d’erreurs. Le fait que la framework du complexe réplicateur lui-même ressemble à celle des ARNt modernes suggère que les premières formes d’ARNt auraient pu participer aux processus de réplication moléculaire, avant que les molécules d’ARNt n’assument leur rôle moderne dans la traduction des séquences d’ARN messager en protéines. « Ce lien entre la réplication et la traduction dans un scénario évolutif précoce pourrait apporter une option au problème de la poule et de l’œuf », déclare Alexandra Kühnlein. Il pourrait également expliquer la forme caractéristique des proto-ARNt et élucider le rôle des ARNt avant qu’ils ne soient cooptés pour une utilisation en traduction.

Les recherches en laboratoire sur l’origine de la vie et l’émergence de l’évolution darwinienne au niveau des polymères chimiques ont également des implications pour l’avenir de la biotechnologie. « Nos recherches sur les premières formes de réplication moléculaire et notre découverte d’un lien entre réplication et traduction nous rapproche de la reconstruction de l’origine de la vie », conclut Braun.