Ce chimiste de Georgia Tech simule la genèse de la vie dans un four grille-pain à 5 $

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gCela aurait tout aussi bien pu commencer avec un four grille-pain. Lors d’une vente-débarras, Nicholas Hud a repéré, il ya quelques années, un bon candidat: un modèle Vintage de General Electric, chromé avec des panneaux de grain de bois, niché dans une vieille boîte jaunie, pratiquement inutilisé. L'appareil idéal pour cuisiner les précurseurs chimiques de la vie, pensa-t-il. Il l'a acheté pour 5 $.

Chez lui, dans son sous-sol, avec l’aide de son fils d’âge universitaire, il a percé un trou rectangulaire à l’arrière du four, à travers lequel une table coulissante automatisée (recyclée d’un vieux scanner de documents) pouvait déplacer un plateau d’expériences. Il a ensuite associé une pompe à seringue à certaines pièces de l’imprimante à jet d’encre et installé le système de manière à ce que de l’eau goutte à goutte sur le plateau.

Aujourd’hui, l’instrument se trouve au sommet d’un atelier du laboratoire de Hud au Georgia Institute of Technology, où il dirige le Center for Chemical Evolution, un consortium multi-universitaire financé par la NASA et la National Science Foundation. Au cours des deux dernières décennies, il a recherché des recettes chimiques qui pourraient expliquer la naissance de la vie sur Terre. Lorsque les scientifiques ont commencé à étudier l’origine moléculaire de la vie dans les années 50, ils ont supposé que les premières molécules biologiques se formaient spontanément à partir d’une soupe de composés primordiaux: un mariage heureux des bons ingrédients, dans les bonnes conditions et au bon moment. Hud et ses collègues constatent maintenant que l’étincelle de la vie a peut-être frappé beaucoup plus progressivement, non pas par hasard, mais par le biais d’une longue évolution chimique.

Le grille-pain est son dernier terrain d'essai. Il simule les cycles de froid et de chaud, et de humide et de sec, que Hud soupçonne d'avoir lancé ce processus évolutif, des millions d'années avant que les premières formes de vie cellulaires n'apparaissent. Il imite la rosée se condensant la nuit et s’évaporant au lever du soleil; les flaques de pluie se remplissent et s'assèchent; lagunes côtières inondant et se vidant avec les marées. Hud l'appelle la «machine jour-nuit».

Un jour de printemps l'année dernière, lui et moi sommes blottis autour de l'appareil construit à la maison et le regardons fonctionner. À l’extérieur du four, la seringue distribue quelques gouttelettes d’eau dans chacun des six puits d’une plaque en céramique sur le plateau coulissant. Aux fins de cette démonstration, les puits sont vides; au cours des expériences, ils contiennent un mélange de molécules simples, ou de monomères, comme ceux qui auraient été présents sur la Terre primitive. Le plateau disparaît dans le four et ferme hermétiquement. Lorsque la température atteint 85 degrés Celsius (185 degrés Fahrenheit), l'eau s'évapore le premier jour. Quelques minutes s'écoulent et le plateau glisse. Les puits se refroidissent, l'eau coule goutte à goutte et passe dans le plateau – le deuxième jour.

Même si les scientifiques pouvaient forger de l’ARN ou d’autres polymères fondamentaux dans un tube à essai, le résultat ne révélerait pas leur véritable origine.

L'évolution nécessite deux forces: la variation et la sélection. Quand une infusion de monomères sèche, la déshydratation peut les amener à se lier ensemble, formant des chaînes appelées polymères. Wet le mélange à nouveau, cependant, et certaines de ces liaisons vont se rompre. En d'autres termes, le processus est réversible. Les polymères peuvent se former, se décomposer et se reformer avec de nouvelles configurations. C'est une variation. Finalement, certains polymères peuvent tomber sur un avantage. Ils peuvent par exemple se plier pour éviter de se séparer trop rapidement. C'est la sélection. «Celles-ci auraient pu être les premiers survivants de l'évolution», déclare Hud.

Il spécule que, sur des millions de cycles sur la Terre primordiale, certains survivants ont acquis d'autres avantages, tels que la capacité de catalyser des réactions. Ils ont commencé à interagir et à coopérer, formant des réseaux chimiques primitifs. Tôt ou tard, certains réseaux ont commencé à se répliquer et ont acquis des membranes protectrices. C’est là que la vie a commencé et que l’évolution biologique a pris le relais. Des sacs ressemblant à des cellules engendrent des procaryotes (bactéries et archées), engendrent des eucaryotes unicellulaires (protozoaires, moisissures visqueuses et algues), engendrent des organismes multicellulaires (plantes et animaux), nous donnant enfin naissance.

Et si Hud a raison, notre planète en rotation était la machine géante jour-nuit qui a tout déclenché.

Cela donne vie à de bonnes choses: Nicholas Hud, un chimiste de Georgia Tech, a jaugé un vieux four grille-pain pour étudier les origines chimiques de la vie.Johnny Bontemps

UNELa vie dépend de deux types de polymères: les protéines, qui effectuent les tâches fondamentales du métabolisme; et les acides nucléiques (ADN et ARN), qui stockent des instructions génétiques à transmettre aux générations futures. Lors d'une expérience célèbre menée en 1953, les chimistes Stanley Miller et Harold Urey ont montré que nombre des éléments constitutifs de ces molécules essentielles auraient pu s'assembler sur une jeune Terre uniquement par la chimie, sans l'aide de processus biologiques. En appliquant une étincelle électrique à un mélange de quatre composés primitifs – méthane, ammoniac, hydrogène et eau -, ils ont produit des acides aminés, unités de base des protéines. En utilisant des méthodes similaires, les chercheurs ont par la suite créé certaines des lettres chimiques, appelées nucléobases, qui constituent le code génétique.

On ne peut que deviner comment ces monomères simples se sont cousus pour la première fois dans des polymères. Dans les cellules, les protéines effectuent la tâche complexe de fabrication et de copie de l’ADN, tandis que l’ADN fournit le modèle de construction des protéines. À la lumière de ce paradoxe œuf-poule-œuf, certains chercheurs ont proposé l’ARN, qui transmet les informations de l’ADN aux usines de production de protéines, en tant que premier polymère biologique. Peut-être que cette molécule messagère remplissait à la fois les tâches des protéines et de l’ADN avant que l’évolution ne divise ces rôles. Dans les années 1980, les chimistes Thomas Cech et Sidney Altman ont montré que c'était peut-être le cas. Travaillant de manière indépendante, ils ont découvert que certains ARN pouvaient catalyser des réactions chimiques comme le feraient les protéines, suggérant que les molécules anciennes auraient pu se reproduire.

Mais les scientifiques ont jusqu'à présent échoué à recréer l'ARN dans des conditions prébiotiques. Ils se sont rapprochés en 2009, quand une équipe dirigée par John Sutherland de l'Université de Manchester a publié une recette dans le journal La nature pour synthétiser à partir de zéro l’unité de base de l’ARN: une nucléobase attachée à un phosphate de sucre, qui forment ensemble un nucléotide. Il se peut que l'ARN soit trop complexe pour s'être assemblé spontanément, sans l'aide de protéines. Si cela est vrai, disent Hud et d’autres, il doit s’être développé à partir d’un polymère plus primitif.

Hud compare l'ARN à un violon Stradivarius: un instrument parfait. "Mais vous ne commencez pas par fabriquer le Stradivarius", dit-il. «Vous commencez avec quelqu'un qui prend un bâton avec un bout de ficelle et l'étire dans un arc. C'est ainsi que je vois l'ARN, descendant d'une longue lignée de molécules qui ont évolué pour nous donner cette molécule parfaite,… le summum des polymères. »Même si les scientifiques pouvaient forger de l'ARN ou d'autres polymères fondamentaux dans un tube à essai, le résultat ne serait pas satisfaisant. t révéler leur véritable origine. Tout comme le monstre du Dr. Frankenstein, les créations cousues en diraient peu sur le processus évolutif qui a ciselé leur ressemblance au cours de millions d’années.

«Pendant tout le temps que nous avons eu la conscience humaine, nous nous sommes demandé d’où venait la vie. Ce serait formidable de pouvoir créer une histoire scientifiquement plausible. "

L’équipe de Hud s’est donc plutôt concentrée sur la recherche des ancêtres de l’ARN, des molécules qui se comportaient de la même façon mais s’assemblaient plus facilement à partir de l’environnement prébiotique. La chasse a commencé il y a dix ans avec une liste de 100 monomères structurellement similaires aux bases nucléiques de l'ARN. Après avoir testé des dizaines de candidats dans diverses conditions, les chercheurs ont finalement réalisé une avancée décisive. Dans un article de 2013, ils ont signalé que deux monomères, la triaminopyrimidine (TAP) et l'acide cyanurique (CA), étaient assemblés en anneaux, qui s'empilaient les uns sur les autres, formant des chaînes ayant à peu près la même longueur que les gènes.

Dans une étude de suivi, l'équipe a montré que le TAP pouvait facilement se lier à un sucre (une étape notoirement difficile) pour produire un composé ressemblant à une partie d'un nucléotide. Lorsqu'ils sont ajoutés à l'AC, les quasi-nucléotides sont également regroupés dans des chaînes ressemblant à des gènes. Mais ce ne sont pas de vrais polymères. Contrairement aux nucléotides de l'ARN, qui sont cousus ensemble comme des perles sur une chaîne, ces unités n'étaient que faiblement liées, comme des aimants.

Le résultat, cependant, n'était que le début. Si des structures telles que les chaînes TAP-CA constituaient les prototypes de l'ARN – les premiers instruments bruts -, comment sont-elles devenues des chefs-d'œuvre?

HLe bureau de ud est orné de scènes inspirées d’histoires d’origine. Sur un mur se trouve une réplique de Michelangelo La création d'Adam. Sur un autre, des portraits du dieu hindou Vishnu, perché sur «l’océan de lait» primordial, et du créateur aztèque, Quetzalcoatl, imaginé comme un serpent à plumes. «Pendant tout le temps que nous avons eu la conscience humaine, nous nous sommes demandé d’où venait la vie», se souvient Hud. "Ce serait bien si nous pouvions créer une histoire scientifiquement plausible."

Hud vient de Los Angeles, où son père était inspecteur du contrôle de la qualité dans l'industrie laitière. Sa mère, une infirmière et un fervent chrétien, l'inscrivit à l'école catholique pendant 16 ans. Mais sa passion était la science. Il était un doctorat étudiant en biophysique à l’Université de Californie, à Davis, lorsque Cech et Altman ont remporté le prix Nobel 1989 pour leur découverte des capacités analogues à la protéine de l’ARN. «C’est tout ce dont tout le monde a parlé», se souvient Hud. Il était accro.

En 1999, il a rejoint la faculté de Georgia Tech, où il a commencé à étudier la possibilité que les cycles de la Terre – humide et sec, chaud et froid, jour et nuit – soient à l’origine de la création de polymères de la vie. Dans les années 1970, une poignée de chimistes de l’origine de la vie, y compris Stanley Miller, avaient essayé de produire des protéines et de l’ADN en séchant leurs composants sur des verres de montre dans de grands fours, puis en les réhydratant à la main. Mais ils ont eu peu de succès. En fin de compte, cette approche, qui n’a jamais été très populaire, n’est plus utilisée, les chercheurs commençant à rechercher l’origine de la vie dans des locaux plus exotiques que des flaques sèches, telles que des bouches hydrothermales situées au fond de l’océan.

Selon Hud, le moteur de la vie et de l'évolution pourrait être aussi simple que "une planète qui tourne devant une étoile".

Hud pensait cependant que Miller et ses contemporains avaient été sur la bonne voie. Les cycles mouillés-secs, a-t-il réalisé, auraient pu faire exister des polymères en résolvant ce que l'on appelle le «paradoxe de l'eau». En tant que solvant, l'eau est essentielle à la vie: elle facilite les réactions chimiques et facilite le transport des nutriments et des déchets. Mais pour fabriquer des polymères de la vie, il faut éliminer l’eau. Sans machines cellulaires complexes pour les assembler, les protéines et les acides nucléiques ne pourraient pas se lier dans l’environnement aqueux d’une cellule. Par conséquent, les premières molécules ressemblant à des êtres vivants devaient avoir besoin d'humidité et de dessiccation.

Hud décida de commencer à expérimenter là où ses prédécesseurs s'étaient arrêtés. Mais leur méthode manuelle de mouillage et de séchage des monomères s’est révélée trop fastidieuse. «Il est rapidement devenu fastidieux de faire plus de deux cycles par jour», se souvient Hud. "Disons que nous voulions essayer 50 cycles, cela aurait pris presque un mois!"

C’est à ce moment-là qu’il a décidé de construire une machine jour-nuit. Il a bricolé plusieurs modèles, dont un à plat et une casserole à pizza. Une autre conception a intégré un bras robotique à une machine de PCR, un outil de laboratoire commun qui utilise les fluctuations de température pour copier de l'ADN. Dans l'une de leurs premières expériences réussies, lui et son équipe l'ont utilisé pour faire pousser des chaînes de composés primitifs appelés acides hydroxy simplement en mouillant et en séchant les monomères, encore et encore. Les cycles ont agi comme un cliquet. Lorsque la PCR a chauffé une solution d'hydroxyacide et d'eau, certains des monomères se sont liés en séchant. Quand ils se sont refroidis et que l'eau est revenue, certains des liens ont survécu. "La réaction inverse sera plus lente parce que nous sommes à une température plus basse, et il est donc moins probable que nous rompions ces obligations", explique Hud. «Nous avons de l'eau qui entre et de l'eau qui va et vient, d'avant en arrière, d'avant en arrière. Et pourtant, nous progressons dans une direction: nous construisons des polymères. »Son équipe a publié leurs résultats en 2014.

Dans une étude publiée en juillet, ils ont poussé l'expérience encore plus loin: ils ont ajouté des acides aminés. À chaque cycle humide-sec, au fur et à mesure que les hydroxyacides se lient et grandissent en polymères, certains des acides aminés s’intègrent à ces chaînes, formant ainsi des arrangements ressemblant à des protéines. Hud soupçonne qu'un processus similaire, impliquant peut-être les précurseurs de l'ARN, s'est probablement produit sur la Terre primitive, constituant la première étape de l'évolution chimique.

C’est un scénario plausible, explique David Deamer, biophysicien de l’Université de Californie à Santa Cruz, qui n’a pas participé à l’étude. La théorie est d’autant plus convaincante, ajoute-t-il, que l’équipe de Hud a pu démontrer la formation de polymères «sans manipulations chimiques».

Mais pour que cette histoire soit vraiment vendue, soulignent Deamer et d'autres, les scientifiques devront montrer que les cycles humide-sec peuvent non seulement construire des polymères, mais également sélectionner des molécules qui jouent le rôle de catalyseurs. L’équipe de Hud a créé des chaînes ressemblant à des protéines après seulement 20 cycles. Après des centaines, voire des milliers de cycles, certaines chaînes vont-elles commencer à se contourner de manière nouvelle? Formeront-ils des poches parfaitement formées pour capturer une autre molécule, comme si un gant tenait la main? Vont-ils alors aider cette molécule à réagir avec d'autres molécules, orchestrant ainsi la chimie nécessaire à la vie?

Pour répondre à ces questions, Hud se tournera vers son four grille-pain, qui offre plusieurs avantages par rapport à la configuration de la PCR. C’est moins cher et plus simple à programmer, ce qui permet à ses étudiants de faire des expériences plus facilement. Et c’est polyvalent. Alors que la PCR les oblige à tester des solutions dans de minuscules tubes en plastique, le grille-pain permet de plus grands volumes de liquides et une variété de surfaces. «Nous pouvons placer n'importe quel type d'objet sur le plateau», explique Hud. «Nous pouvons faire en sorte que toute la surface imite un rocher», un lieu de naissance probable. Au cours des prochains mois, il prévoit d'utiliser le grille-pain pour augmenter le nombre de cycles jour-nuit. «L’objectif est de faire plus de 100 à plusieurs centaines de cycles», dit-il.

Si l’équipe de Hud pouvait passer des monomères aux catalyseurs, déclare Robert Hazen, minéralogiste à la Carnegie Institution, «ce serait clairement le mécanisme à battre». Le moteur de la vie et de l’évolution pourrait alors être, comme le dit Hud, aussi simple comme "une planète qui tourne devant une étoile."

Johnny Bontemps est un écrivain scientifique basé à Brooklyn, NY.

Cet article a été publié à l'origine dans notre numéro «Dark Matter» en août 2015.

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