Nouvelle théorie sur les origines de la vie sur Terre

Markus Ralser n’a jamais eu l’intention d’étudier l’origine de la vie. Ses recherches portaient principalement sur la manière dont les cellules se nourrissent, et sur la manière dont ces processus peuvent dysfonctionner dans des organismes stressés ou malades. Mais il y a une dizaine d’années, par pur hasard, Ralser et son équipe ont fait une découverte surprenante.

Le groupe, basé à l’époque à l’université de Cambridge, étudiait la glycolyse, un processus qui permet de décomposer le sucre par le biais d’une série de réactions chimiques, libérant ainsi de l’énergie qui peut ensuite être utilisée par les cellules. Lorsqu’ils ont utilisé des techniques sensibles dans le but de suivre les nombreuses étapes de ce processus, ils ont été surpris de constater que certaines réactions semblaient « se produire spontanément », explique Ralser, qui est désormais basé au Francis Crick Institute de Londres. Dans des expériences de contrôle dans lesquelles certaines des molécules nécessaires aux réactions chimiques n’étaient pas présentes, certaines parties du processus de la glycolyse se produisaient quand même.

« Ça ne peut pas être vrai », d’autres scientifiques ont alors répondu à Ralser.

Toute cellule vivante possède, en son sein, une sorte de moteur chimique. C’est tout aussi vrai pour un neurone dans un cerveau humain que pour la plus simple des bactéries. Ces moteurs chimiques alimentent le métabolisme, c’est-à-dire l’ensemble des processus qui transforment une source d’énergie telle que la nourriture en éléments utiles et qui construisent ainsi les cellules. De toute évidence, les processus métaboliques, y compris la glycolyse, nécessitent un système microscopique sophistiqué pour fonctionner. Mais l’équipe de Ralser a découvert que l’un de ces moteurs était capable de fonctionner tout seul, en l’absence de plusieurs des molécules complexes que les scientifiques pensaient nécessaires.

Depuis cette découverte fortuite, une vague d’enthousiasme s’est emparée des chercheurs qui étudient les origines de la vie. Après tout, si cela a pu se produire dans une éprouvette, peut-être que cela s’est également produit il y a des milliards d’années dans une cheminée volcanique en haute mer, dans des sources thermales sur Terre, ou dans tout autre endroit réunissant beaucoup d’activité chimique et de matière organique. Il se pourrait même que des réactions métaboliques aient amorcé la série d’événements qui a conduit à la naissance de la vie sur notre planète.

Certaines équipes s’efforcent désormais de fabriquer ces moteurs chimiques à partir de zéro. En plus de la glycolyse, les scientifiques ont recréé certaines parties d’autres processus cellulaires fondamentaux, notamment le cycle de l’acide citrique inverse, ou cycle de Krebs inverse, qui serait apparu pour la première fois dans des cellules très anciennes.

Ce nouveau domaine de recherche fascinant amène les scientifiques à repenser les étapes qui auraient pu engendrer la création du premier organisme vivant, et les oblige à se confronter à nouveau à une question de longue date : comment définir la vie ?

DES ORIGINES ÉNIGMATIQUES

L’apparition de la vie est l’un des plus grands mystères de la science. Nous savons que ce phénomène s’est produit au début de l’histoire de notre planète, car des fossiles de micro-organismes ont été découverts dans des roches datant de 3,5 milliards d’années, soit un milliard d’années seulement après la formation de la Terre. Ce qui reste toutefois incertain, c’est comment et où cela s’est produit.

L’un des principaux problèmes est que les organismes vivants sont incroyablement compliqués. Même la plus simple des cellules bactériennes possède des centaines de gènes et des milliers de molécules différentes. Tous ces éléments travaillent les uns avec les autres dans une sorte de danse complexe : ils acheminent la nourriture dans la cellule et évacuent les déchets, réparent les dégâts, copient les gènes, et bien plus encore.

Une étude publiée en 2021, qui compare les ADN de 1 089 bactéries, qui sont les organismes vivants les plus simples, illustre l’ampleur de cette complexité. Les chercheurs et chercheuses, menés par la bioingénieure Joana C. Xavier, qui était alors à l’université Heinrich Heine de Düsseldorf en Allemagne, ont recherché des familles de protéines communes à toutes les espèces de bactéries, susceptibles d’être très anciennes, remontant à plus de trois milliards d’années jusqu’au dernier ancêtre commun à toutes les bactéries. Ils ont trouvé 146 familles de protéines de ce type, ce qui a révélé que les premières bactéries étaient déjà extrêmement complexes, et le produit d’une longue période d’évolution.

Toutes les hypothèses sur l’origine de la vie tentent de mettre toute cette complexité de côté et d’imaginer quelque chose de beaucoup plus simple, qui aurait pu se produire de manière spontanée. La difficulté consiste à déterminer à quoi aurait ressemblé cette proto-vie. Quelles parties des cellules vivantes que nous connaissons aujourd’hui ont été les premières à se former ?

De nombreuses idées ont été avancées pour répondre à cette question, notamment celle d’une molécule capable de se copier elle-même, telle qu’un brin d’ARN, ou encore celle d’une « bulle » ou d’une « goutte » graisseuse qui aurait pu jouer un rôle de structure au sein de laquelle une cellule aurait pu se former. De plus en plus de scientifiques pensent toutefois que, avant même l’existence des gènes ou des parois cellulaires, la toute première chose dont la vie avait besoin pour exister, c’était un moteur.

LE PREMIER MÉTABOLISME

La vie est, par essence, active. Même dans des organismes qui semblent constants comme les arbres, une vive activité a lieu à l’échelle microscopique.

Xavier, qui est désormais basée à la University College de Londres, compare une cellule vivante à une tasse d’eau dont le fond est troué et qui est placée sous un robinet ouvert. Si les deux écoulements sont égaux, le volume d’eau contenu dans la tasse reste toujours le même, « mais une transformation a lieu en permanence. »

De la même manière, tout être vivant absorbe des nutriments qu’il utilise pour construire et réparer son corps. Pour les humains, cela consiste à ingurgiter de la nourriture puis à utiliser notre système digestif pour la décomposer et la transformer en substances chimiques simples, qui peuvent ensuite être utilisées par notre corps.

D’autres organismes tirent quant à eux leur énergie de la lumière du Soleil ou de substances chimiques telles que le méthane, mais le principe est le même. Des milliers de réactions transforment constamment une substance en une autre, et acheminent ce qu’il faut, là où il faut. Ce sont tous ces processus qui composent le métabolisme d’un organisme. Si un métabolisme cesse de fonctionner, l’organisme meurt.

La chimie du métabolisme est si fondamentale pour la vie que de nombreux chercheurs estiment qu’elle était sans doute centrale pour les toutes premières cellules vivantes. Selon eux, une fois un moteur métabolique lancé, il aurait pu créer d’autres substances nécessaires à la vie et, petit à petit, les cellules se seraient assemblées elles-mêmes, explique Joseph Moran de l’Université de Strasbourg.

Cependant, toutes les théories selon lesquelles le métabolisme est ce qui a permis la création de la vie rencontrent un même problème : le métabolisme, tout comme la vie, est extrêmement complexe. Dans l’étude de Xavier sur le plus ancien ancêtre commun des bactéries, la scientifique a estimé que les gènes de cet organisme ancien pouvaient produire 243 produits chimiques par le biais de processus métaboliques, mais aussi les transformer les uns en les autres.

Même les voies individuelles des métabolismes sont complexes. C’est par exemple le cas du cycle de l’acide citrique, ou cycle de Krebs, qui est l’une des manières dont les cellules peuvent extraire de l’énergie des nutriments. Comme son nom l’indique, le cycle commence avec de l’acide citrique, le produit chimique qui donne leur goût piquant aux agrumes. Celui-ci est transformé en une seconde substance, l’acide cis-aconitique, puis en sept autres substances avant que la dernière étape ne recrée l’acide citrique. Au cours de ce processus, des substances biochimiques sont produites et distribuées dans le reste de la cellule.

Il est difficile d’imaginer comment un processus aussi complexe aurait pu commencer tout seul. Pour compliquer encore les choses, chaque étape est contrôlée par une molécule, que l’on appelle une enzyme, qui accélère les réactions chimiques en question. Pour qu’un processus comme le cycle de Krebs puisse fonctionner, des enzymes sont nécessaires. Mais les enzymes sont des molécules compliquées qui peuvent uniquement être fabriquées par le métabolisme, qui est sous le contrôle des gènes.

Les scientifiques sont donc face à une version biochimique du dilemme de l’œuf ou la poule. Qu’est-ce qui s’est produit en premier : le moteur chimique qui permet de créer la cellule, ou les mécanismes cellulaires qui permettent de créer le moteur ?

RECRÉER LES MOTEURS DE LA VIE

Après avoir fait leur première découverte au début des années 2010, Ralser et son équipe ont décidé d’étudier plus précisément les réactions métaboliques qui pouvaient fonctionner seules. Ils ont dissous dans de l’eau pure, chacun de leur côté, douze produits chimiques différents qui sont utilisés lors de la glycolyse. Ils ont ensuite chauffé les échantillons à 70 °C pendant cinq heures, imitant les conditions aux environs d’un volcan sous-marin. Dix-sept réactions chimiques, issues de la glycolyse ou d’une voie métabolique connexe, ont commencé à se produire lors des expériences.

Ralser a ensuite contacté Alexandra Turchyn, géochimiste à l’université de Cambridge, qui lui a remis une liste de produits chimiques qui auraient été dissous dans l’océan primordial, dont des métaux comme le fer et le sodium. L’équipe les a ajoutés à leurs mélanges pour voir s’ils permettaient aux réactions de mieux fonctionner.

« Un seul a fonctionné : le fer », explique Ralser. En 2014, ils étaient parvenus à faire fonctionner vingt-huit réactions, dont un cycle métabolique complet. L’équipe s’est appuyée sur ses premiers résultats, montrant en 2017 qu’elle pouvait réaliser une version du cycle de l’acide citrique actionné avec du sulfate, et qu’elle pouvait synthétiser du glucose à partir de produits chimiques plus simples dans un processus appelé gluconéogenèse, bien que ce dernier ait dû être réalisé dans la glace.

L’idée de cycles métaboliques sans enzymes a ensuite été reprise par Moran à l’Université de Strasbourg, en collaboration avec son ancienne étudiante Kamila Muchowska. Ils ont réalisé des avancées similaires avec d’autres processus métaboliques tels que la voie de l’acétyl-CoA, qui convertit le dioxyde de carbone en acétyl-CoA, l’une des substances chimiques les plus importantes du métabolisme.

Mais des nombreux mécanismes de la vie, les scientifiques sont revenus encore et encore sur le cycle de l’acide citrique inverse. Certaines bactéries utilisent ce processus, qui fonctionne comme le cycle de l’acide citrique, mais à l’envers, afin de fabriquer des composés carbonés complexes à partir de dioxyde de carbone et d’eau. Et certaines preuves montrent que ce processus est extrêmement ancien.

Tout comme Ralser, Moran et Muchowska ont utilisé des métaux tels que le fer pour créer des réactions chimiques dans leur laboratoire. En 2017, ils ont pu déclencher six des onze réactions du cycle de l’acide citrique inverse et, deux ans plus tard, ont trouvé des réactions supplémentaires.

« Nous n’avons jamais reproduit le cycle complet », confie Moran. Mais ils s’en approchent.

PAS TOUT À FAIT DE LA BIOLOGIE

Malgré leur enthousiasme, les scientifiques sont partagés quant à la possibilité que des cycles cellulaires entiers se produisent réellement, s’ils n’ont pas les enzymes pour faciliter le processus. Pour Ramanarayanan Krishnamurthy, de l’Institut de recherche Scripps de La Jolla, en Californie, reproduire uniquement certaines parties d’un cycle n’est pas convaincant.

« C’est comme briser un bocal en verre, et dire : les morceaux viennent du bocal, donc je peux entièrement reconstruire le bocal », affirme-t-il.

Krishnamurthy et ses collègues s’essaient à différentes approches. « Nous nous déconnectons de la biologie », dit-il, car ce qui se produit dans les cellules aujourd’hui n’est pas un guide parfait de ce qui s’y produisait il y a des milliards d’années. « Je vais juste laisser la chimie me guider. »

En 2018, l’équipe de Krishnamurthy a démontré un nouveau moteur métabolique qui fonctionne en deux cycles et sans enzymes. « Nous contournons certaines des molécules les plus instables, certaines des étapes les plus difficiles que la biologie est capable de réaliser avec brio grâce à des enzymes évoluées très sophistiquées », explique Krishnamurthy. Selon lui, le processus en question pourrait être un précurseur ancien du cycle de Krebs inverse.

Plus récemment, son équipe a tenté d’ajouter du cyanure, que l’on pense avoir été abondant sur la Terre primordiale. Des recherches antérieures ont montré que le cyanure était capable de produire de nombreuses substances chimiques de la vie en raison de sa haute réactivité, mais il n’est pas certain qu’il ait réellement joué un rôle dans l’origine de la vie, car il est toxique pour les organismes actuels. Néanmoins, l’équipe de Krishnamurthy a montré que le cyanure pouvait lancer des moteurs métaboliques qui ressemblent à certaines fonctions de la vie.

Moran est sceptique quant à cette approche, car ces moteurs alternatifs ne fabriquent pas certains des produits chimiques qui sont fondamentaux pour la vie. « Je ne comprends pas pourquoi on voudrait faire cela », dit-il.

Reste à savoir si des versions complètes de tous les cycles métaboliques actuels pourraient fonctionner sans enzymes, ou si la toute première vie a dû se contenter de versions alternatives et simplifiées comme celles qui ont été réalisées par Krishnamurthy.

UN MOTEUR VIVANT ?

La capacité à reproduire les processus de la vie sous des formes simplifiées soulève une question cruciale : dans quelle mesure pouvons-nous qualifier des systèmes chimiques de « vie » ? Si un moteur métabolique fonctionne dans une fiole de verre, est-il vraiment vivant ?

La plupart des scientifiques répondraient non. Pour que quelque chose soit vivant, « nous devons avoir un système suffisamment complexe pour qu’il puisse métaboliser et se répliquer », explique Ralser. Un moteur métabolique ne peut pas le faire à lui seul, mais il est une étape qui mène à quelque chose qui le peut.

« Personne n’a réellement défini ce qu’est la vie », dit Krishnamurthy, et il y a tellement de limites. Par exemple, de nombreuses définitions de la vie indiquent qu’un organisme doit être capable de se reproduire, mais les animaux sexuels ne peuvent pas se reproduire sans partenaire : donc, si l’on suite ces définitions à la lettre, un lapin seul n’est pas vivant.

« Tout ce qui existe entre le non-vivant et le vivant est un gradient », selon Muchowska. Les moteurs métaboliques ne sont pas totalement inanimés comme le sont les roches, et ils ne sont pas non plus totalement vivants comme l’est une bactérie.

La vie, en un sens, est une sorte d’accident chimique, une danse tourbillonnante qui ne s’est pas arrêtée depuis plus de 3,5 milliards d’années. Quelle que soit la définition que nous lui donnons, cette danse se poursuit, et perfectionne lentement le système biologique qui a permis de créer les innombrables et merveilleuses formes de la Terre.