La réaction génère des acides aminés et des acides nucléiques, les éléments constitutifs des protéines et de l’ADN

“Nous avons mis au point un nouveau paradigme pour expliquer ce passage de la chimie prébiotique à la chimie biotique”, déclare Ramanarayanan Krishnamurthy, PhD, professeur agrégé de chimie à Scripps Research et auteur principal du nouvel article, publié le 28 juillet 2022 dans le journal Chimie naturelle. “Nous pensons que le genre de réactions que nous avons décrites sont probablement ce qui aurait pu se passer sur la Terre primitive.”

En plus de donner aux chercheurs un aperçu de la chimie de la Terre primitive, les réactions chimiques récemment découvertes sont également utiles dans certains processus de fabrication, tels que la génération de biomolécules étiquetées personnalisées à partir de matières premières peu coûteuses.

Plus tôt cette année, le groupe de Krishnamurthy a montré comment le cyanure peut activer les réactions chimiques qui transforment les molécules prébiotiques et l’eau en composés organiques de base nécessaires à la vie. Contrairement aux réactions proposées précédemment, celle-ci fonctionnait à température ambiante et dans une large gamme de pH. Les chercheurs se sont demandé si, dans les mêmes conditions, il existait un moyen de générer des acides aminés, des molécules plus complexes qui composent les protéines de toutes les cellules vivantes connues.

Dans les cellules d’aujourd’hui, les acides aminés sont générés à partir de précurseurs appelés acides α-céto en utilisant à la fois de l’azote et des protéines spécialisées appelées enzymes. Les chercheurs ont trouvé des preuves que les acides α-céto existaient probablement au début de l’histoire de la Terre. Cependant, beaucoup ont émis l’hypothèse qu’avant l’avènement de la vie cellulaire, les acides aminés devaient avoir été générés à partir de précurseurs complètement différents, des aldéhydes, plutôt que des acides α-céto, puisque les enzymes pour effectuer la conversion n’existaient pas encore. Mais cette idée a conduit à un débat sur la manière et le moment où le passage des aldéhydes aux acides α-céto s’est produit comme ingrédient clé pour la fabrication des acides aminés.

Après avoir réussi à utiliser le cyanure pour provoquer d’autres réactions chimiques, Krishnamurthy et ses collègues ont soupçonné que le cyanure, même sans enzymes, pourrait également aider à transformer les acides α-céto en acides aminés. Parce qu’ils savaient que l’azote serait nécessaire sous une certaine forme, ils ont ajouté de l’ammoniac – une forme d’azote qui aurait été présente sur la Terre primitive. Puis, par essais et erreurs, ils ont découvert un troisième ingrédient clé : le dioxyde de carbone. Avec ce mélange, ils ont rapidement commencé à voir des acides aminés se former.

“Nous nous attendions à ce qu’il soit assez difficile de comprendre cela, et cela s’est avéré encore plus simple que nous ne l’avions imaginé”, explique Krishnamurthy. “Si vous ne mélangez que l’acide céto, le cyanure et l’ammoniac, il reste là. Dès que vous ajoutez du dioxyde de carbone, même à l’état de traces, la réaction s’accélère.”

Parce que la nouvelle réaction est relativement similaire à ce qui se produit aujourd’hui à l’intérieur des cellules – sauf qu’elle est entraînée par le cyanure au lieu d’une protéine – elle semble plus susceptible d’être la source du début de la vie, plutôt que de réactions radicalement différentes, selon les chercheurs. La recherche aide également à rapprocher les deux côtés d’un débat de longue date sur l’importance du dioxyde de carbone au début de la vie, concluant que le dioxyde de carbone était essentiel, mais uniquement en combinaison avec d’autres molécules.

Au cours de l’étude de leur soupe chimique, le groupe de Krishnamurthy a découvert qu’un sous-produit de la même réaction est l’orotate, un précurseur des nucléotides qui composent l’ADN et l’ARN. Cela suggère que la même soupe primordiale, dans de bonnes conditions, aurait pu donner naissance à un grand nombre de molécules nécessaires aux éléments clés de la vie.

“Ce que nous voulons faire ensuite, c’est continuer à sonder quel type de chimie peut émerger de ce mélange”, déclare Krishnamurthy. « Les acides aminés peuvent-ils commencer à former de petites protéines ? Une de ces protéines pourrait-elle revenir et commencer à agir comme une enzyme pour fabriquer davantage de ces acides aminés ?

Ce travail a été soutenu par un financement du NSF Center for Chemical Evolution (CHE-1504217), une subvention d’exobiologie de la NASA (80NSSC18K1300) et une subvention de la Fondation Simons (327124FY19).