De la molécule à l’organisme

- EN- DE- FR - IT
L’amyloïde en croissance sert de modèle pour lui-même : Les acides aminés
L’amyloïde en croissance sert de modèle pour lui-même : Les acides aminés (éléments constitutifs colorés) s’accumulent au bon endroit.
Comment la vie est-elle apparue sur Terre ? Comment a-t-elle pu se maintenir et se développer ? Les chercheurs sont à la recherche de réponses à ces grandes questions.

Depuis toujours, les hommes cherchent des réponses à la question de savoir comment la vie est apparue sur Terre. Les anciennes cultures expliquaient la formation de la Terre et l’origine de la vie par l’action des dieux et des divinités. La science aborde cette question différemment. Des générations de chercheurs ont élaboré des théories et des hypothèses sur l’origine de la vie en se basant sur les lois fondamentales de la physique, de la chimie et de la biologie - et ont entre-temps accumulé beaucoup de connaissances.

"Le fait que nous nous penchions sur de telles questions est profondément ancré dans notre monde occidental. C’est une question de foi posée de manière scientifique", explique Roland Riek, professeur de chimie physique à l’ETH Zurich. Dans ses recherches, il se penche notamment sur la question de savoir quels sont les éléments chimiques nécessaires à l’apparition de la vie qui ont été présents en premier.

La chimie devait être bonne

Pour Riek, de nombreux indices montrent que le premier monde chimique, quelques centaines de millions d’années après la naissance de la Terre, devait être constitué d’acides aminés et de peptides formés à partir de ceux-ci au moyen de gaz volcanique. Ils seraient stables et supporteraient des températures assez élevées. De plus, les acides aminés sont relativement faciles à créer, comme l’ont montré d’autres chercheurs avec des expériences de "soupe primitive". On trouve également des acides aminés sur les météorites, mais proportionnellement peu d’éléments constitutifs des acides ribonucléiques (ARN), que la plupart des scientifiques considèrent comme les premiers composés chimiques à l’origine de la vie sur Terre.

"Les peptides ont les mêmes capacités que les acides ribonucléiques : ils peuvent s’auto-répliquer, sans toutefois avoir besoin de la grande précision de la réplication de l’ARN. Comme l’ARN, ils ont la capacité de stocker et de transmettre des informations, mais aussi d’être actifs sur le plan catalytique", souligne Riek, qui étudie entre autres dans son laboratoire comment les peptides de structure simple deviennent des amyloïdes. Les amyloïdes sont des complexes moléculaires très résistants, presque impossibles à dissoudre, qui se composent toujours des mêmes peptides - et de tels complexes peptidiques peuvent stocker des informations, les transmettre et croître comme des cristaux.

Les amyloïdes peuvent en outre se lier facilement aux molécules d’ARN. "Par conséquent, pour moi, ce qui a pu être au départ est clair : Des acides aminés, des peptides et finalement des amyloïdes qui, à un moment donné, ont rencontré l’ARN et se sont liés à lui", explique Riek. "C’est à partir de cette liaison que l’information génétique s’est développée au fil du temps".

"Le premier monde chimique était probablement constitué d’acides aminés et de peptides".

Roland Riek
Une telle rencontre des éléments chimiques de base pourrait avoir eu lieu dans des cheminées hydrothermales en mer profonde ou dans une mare marémotrice préhistorique où des molécules ont pu se concentrer par évaporation. Les concentrations élevées ont conduit à la synthèse spontanée de molécules plus complexes. "En plein océan, cela ne se produira pas, car la dilution est bien trop importante", fait remarquer le chercheur.

Le chemin vers la première cellule

Mais les chercheurs ne savent que très peu de choses sur la manière dont la première cellule s’est formée. "Nous ne disposons que de très peu d’informations à ce sujet", explique Riek, qui a également des connaissances en physique et en biologie.

Il semble toutefois essentiel que des compartiments fermés aient pu se former dans la soupe primitive riche en molécules, et pour cela, il fallait des acides gras. De tels précurseurs de lipides peuvent se rassembler spontanément en membranes et former de petites bulles - des récipients de réaction séparés de la soupe primitive, dans lesquels les substances et les molécules sont encore plus concentrées. Une telle vésicule favorise et accélère considérablement les réactions chimiques.

Du primitif au complexe

"La formation de vésicules a probablement été la clé de l’apparition d’organismes unicellulaires dans lesquels des molécules plus complexes, comme l’ARN, ont pu continuer à se répliquer et dans lesquels s’est développé un métabolisme qui a produit suffisamment d’énergie pour accélérer les processus de réplication et améliorer la transmission de l’information génétique", ajoute Martin Pilhofer, professeur à l’Institut de biologie moléculaire et de biophysique de l’ETH Zurich.

"On ne sait pas combien de temps a duré cette phase. Plus nous remontons dans l’histoire de la Terre, plus nos hypothèses et nos connaissances deviennent incertaines", explique Pilhofer. L’apparition des premiers organismes unicellulaires ne peut pas non plus être déterminée avec précision. On estime qu’ils sont apparus il y a environ 3,5 à 4 milliards d’années, comme en témoignent les bactéries fossiles. Il est certain que la Terre était vivante il y a 3 milliards d’années.

Il est probable que les premiers organismes unicellulaires soient apparus dans des lieux disposant d’une source d’énergie externe - c’est-à-dire à proximité de cheminées hydrothermales en mer profonde ou de sources chaudes, comme on en trouve par exemple dans le parc national de Yellowstone. Ce n’est qu’en développant leur propre métabolisme que les organismes unicellulaires ont réussi à s’affranchir de cette source d’énergie externe et à conquérir de nouveaux habitats.

Ancêtre des profondeurs

Dans l’environnement de tels puits sous-marins, les êtres vivants unicellulaires pourraient avoir évolué très tôt dans différentes directions : "Nous supposons qu’à ces endroits extrêmes, les organismes unicellulaires originaux se sont divisés en bactéries et en archées peu après leur formation", explique le microbiologiste Pilhofer.

Les bactéries et les archées, autrefois appelées archaebactéries ou bactéries primitives, sont des organismes généralement unicellulaires sans noyau cellulaire. Ils forment deux grands domaines dans l’arbre phylogénétique. Les eucaryotes constituent un troisième domaine. Contrairement aux bactéries et aux archées, les eucaryotes ont un noyau cellulaire dans lequel est stocké le matériel génétique, l’ADN. Une autre particularité des eucaryotes est la présence de compartiments cellulaires séparés par des membranes, comme les mitochondries ou les chloroplastes.

Les chercheurs cherchent depuis longtemps à expliquer comment des microbes bactériens ou archaïques ont pu donner naissance à des eucaryotes. De nombreux scientifiques pensent qu’il est possible qu’une cellule hôte ait "avalé" une bactérie. Celle-ci a évolué au fil du temps pour devenir une mitochondrie, la centrale électrique des eucaryotes. "Le fait qu’un tel événement se soit produit est indiscutable", affirme Pilhofer. Un autre événement de ce type a probablement aussi conduit à l’absorption d’une cyanobactérie photosynthétiquement active dans une cellule et à sa transformation en chloroplaste, qui effectue la photosynthèse dans les plantes vertes et les algues.

En revanche, on ne sait pas exactement quelle pourrait être cette cellule hôte - l’ancêtre des eucaryotes. Mais le voile se lève : il y a quelques années, des scientifiques ont publié de nouvelles informations sur un groupe original d’archées récemment découvert.

Elles proviennent d’une cheminée thermique en eau profonde appelée le château de Loki. Ce champ hydrothermal, où de l’eau à 300 degrés Celsius s’échappe des cheminées rocheuses, n’a été découvert qu’en 2008 dans l’Atlantique Nord, à 2300 mètres de profondeur. Des chercheurs suédois ont prélevé des échantillons de sédiments et analysé le matériel génétique qu’ils contenaient. Ils ont ainsi pu reconstituer les génomes d’organismes inconnus. "Ces découvertes ont révolutionné notre vision de l’arbre généalogique de la vie", souligne Pilhofer.

En effet, les génomes indiquaient la présence d’un nouveau groupe d’archées, d’abord appelées archées de Loki en référence au lieu de découverte du château de Loki, puis classées dans la classe des archées d’Asgard sur la base d’études génomiques et morphologiques plus poussées.

Ces micro-organismes nouvellement décrits ont permis de conclure que les eucaryotes ne sont pas un domaine à part entière, mais un sous-domaine des archées asgardiennes. Martin Pilhofer en explique la raison : "Le génome des archées asgardiennes contient quelques gènes que nous ne connaissons typiquement que chez les eucaryotes. Un exemple marquant est le gène qui porte l’information génétique pour la protéine du cytosquelette, l’actine. Cela signifie que les archées possèdent des protéines que nous n’avons trouvées jusqu’à présent que chez les eucaryotes".

Le microbiologiste spécialisé dans les cytosquelettes a également une explication possible sur la manière dont l’archaïsme asgardien d’origine a pu s’emparer de la bactérie : grâce à des tentacules soutenus par de l’actine. Les bactéries sont capables d’explorer leur environnement et d’interagir avec d’autres organismes.

Comme les archées et les bactéries poussent souvent dans des gazons biologiques denses et riches en espèces (en anglais biological mats) dans des endroits aussi extrêmes, d’innombrables interactions ont lieu entre les individus et les différentes espèces. Avec ses tentacules, une archaeum asgard pourrait finalement avoir entouré la bactérie en question et l’avoir incorporée. "C’est donc probablement une archaea asgard préhistorique qui a absorbé une bactérie et posé la première pierre du développement des cellules eucaryotes", explique Pilhofer.

Avec son groupe, il est en train de réaliser des images de microscopie électronique à haute résolution des archées asgardiennes. Les images actuelles ne lui permettent pas d’évaluer suffisamment bien si ces organismes ont un cytosquelette. Les chercheurs veulent également clarifier à quoi ressemble la membrane cellulaire des archées asgardes et s’il existe un système de membrane interne spécial dans ces cellules. "Cette recherche nous aide à mieux comprendre comment une cellule hôte, qui a autrefois fusionné avec une bactérie, a évolué en une cellule eucaryote complexe", explique Pilhofer.
Peter Rüegg