Modélisation des origines de la vie : de nouvelles preuves de l’existence d’un « monde à ARN »

Modélisation des origines de la vie : de nouvelles preuves de l’existence d’un « monde à ARN »

Les scientifiques de Salk dévoilent les capacités de l'ARN qui permettent l'évolution darwinienne à l'échelle moléculaire et rapprochent les chercheurs de la production d'une vie autonome à base d'ARN en laboratoire.

LA JOLLA — Charles Darwin a décrit l'évolution comme une « descendance avec modifications ». L'information génétique, sous forme de séquences d'ADN, est copiée et transmise d'une génération à l'autre. Mais ce processus doit également être assez flexible, permettant à de légères variations génétiques d'apparaître au fil du temps et d'introduire de nouveaux traits dans la population.

Mais comment tout cela a-t-il commencé ? Aux origines de la vie, bien avant les cellules, les protéines et l’ADN, une évolution similaire aurait-elle pu se produire à une échelle plus simple ? Des scientifiques des années 1960, dont Leslie Orgel, membre du programme Salk Fellowship, ont proposé que la vie ait débuté avec le « Monde de l’ARN », une ère hypothétique où de petites molécules d’ARN filamenteuses ont gouverné la Terre primitive et établi la dynamique de l’évolution darwinienne.

De nouvelles recherches menées à l'Institut Salk apportent un éclairage nouveau sur les origines de la vie, apportant des preuves convaincantes à l'appui de l'hypothèse d'un monde à ARN. L'étude, publiée dans Actes de l'Académie Nationale des Sciences (PNAS) Le 4 mars 2024, une enzyme ARN a été dévoilée, capable de reproduire fidèlement d'autres brins d'ARN fonctionnels, tout en permettant l'émergence de nouvelles variantes de la molécule au fil du temps. Ces capacités remarquables suggèrent que les premières formes d'évolution ont pu se produire à l'échelle moléculaire dans l'ARN.

Ces résultats rapprochent également les scientifiques de la possibilité de recréer la vie basée sur l'ARN en laboratoire. En modélisant ces environnements primitifs en laboratoire, les scientifiques peuvent tester directement des hypothèses sur l'apparition de la vie sur Terre, voire sur d'autres planètes.

« Nous poursuivons l’aube de l’évolution », déclare l’auteur principal et président de Salk Gérald Joyce« En révélant ces nouvelles capacités de l'ARN, nous découvrons les origines potentielles de la vie elle-même et comment des molécules simples auraient pu ouvrir la voie à la complexité et à la diversité de la vie que nous voyons aujourd'hui. »

Les scientifiques peuvent utiliser l'ADN pour retracer l'histoire de l'évolution, depuis les plantes et les animaux modernes jusqu'aux premiers organismes unicellulaires. Mais ce qui a précédé cette évolution reste flou. Les hélices d'ADN double brin sont idéales pour stocker l'information génétique. Nombre de ces gènes codent pour des protéines, des machines moléculaires complexes qui assurent diverses fonctions pour maintenir les cellules en vie. La particularité de l'ARN réside dans le fait que ces molécules peuvent faire un peu des deux. Elles sont constituées de séquences nucléotidiques étendues, similaires à l'ADN, mais elles peuvent également agir comme des enzymes pour faciliter les réactions, à l'instar des protéines. Alors, est-il possible que l'ARN ait été le précurseur de la vie telle que nous la connaissons ?

Des scientifiques comme Joyce explorent cette idée depuis des années, en s'intéressant plus particulièrement aux ribozymes d'ARN polymérase, des molécules d'ARN capables de copier d'autres brins d'ARN. Au cours de la dernière décennie, Joyce et son équipe ont développé des ribozymes d'ARN polymérase en laboratoire, utilisant une forme d'évolution dirigée pour produire de nouvelles versions capables de répliquer des molécules plus grosses. Mais la plupart d'entre eux présentent un défaut majeur : ils ne parviennent pas à copier les séquences avec une précision suffisante. Au fil des générations, de nombreuses erreurs sont introduites dans la séquence, à tel point que les brins d'ARN résultants ne ressemblent plus à la séquence originale et perdent totalement leur fonction.

Jusqu'à maintenant. Le dernier ribozyme d’ARN polymérase développé en laboratoire comprend un certain nombre de mutations cruciales qui lui permettent de copier un brin d’ARN avec une précision beaucoup plus élevée.

Dans ces expériences, le brin d'ARN copié est un « requin-marteau », une petite molécule qui fragmente d'autres molécules d'ARN. Les chercheurs ont été surpris de constater que non seulement la ribozyme ARN polymérase répliquait avec précision les requins-marteaux fonctionnels, mais qu'avec le temps, de nouvelles variantes de requins-marteaux ont commencé à émerger. Ces nouvelles variantes présentaient des performances similaires, mais leurs mutations les ont rendues plus faciles à répliquer, ce qui a accru leur aptitude évolutive et les a finalement amenées à dominer la population de requins-marteaux du laboratoire.

« Nous nous demandons depuis longtemps à quel point la vie était simple à ses débuts et quand elle a acquis la capacité de s'améliorer », explique Nikolaos Papastavrou, premier auteur et chercheur associé au laboratoire de Joyce. « Cette étude suggère que l'évolution aurait pu naître très tôt et avec une grande simplicité. Un élément moléculaire pourrait soutenir l'évolution darwinienne, et cela pourrait avoir été l'étincelle qui a permis à la vie de devenir plus complexe, passant des molécules aux cellules, puis aux organismes multicellulaires. »

Ces résultats soulignent l'importance cruciale de la fidélité de réplication pour rendre l'évolution possible. La précision de copie de l'ARN polymérase doit dépasser un seuil critique pour conserver l'information héréditaire sur plusieurs générations, seuil qui aurait augmenté à mesure que les ARN en évolution gagnaient en taille et en complexité.

L'équipe de Joyce reproduit ce processus en laboratoire, en appliquant une pression sélective croissante sur le système afin de produire des polymérases plus performantes. L'objectif est de produire un jour une ARN polymérase capable de se répliquer. Cela marquerait le début d'une vie autonome de l'ARN en laboratoire, ce qui, selon les chercheurs, pourrait être réalisé d'ici dix ans.

Les scientifiques s’intéressent également à ce qui pourrait se passer une fois que ce mini « monde d’ARN » aura gagné en autonomie.

« Nous avons constaté que la pression de sélection peut améliorer les ARN possédant une fonction existante, mais si nous laissons le système évoluer plus longtemps avec des populations plus importantes de molécules d'ARN, de nouvelles fonctions pourront-elles être inventées ? », explique David Horning, co-auteur et scientifique du laboratoire de Joyce. « Nous sommes impatients de comprendre comment la vie primitive pourrait accroître sa propre complexité, grâce aux outils développés ici à Salk. »

Les méthodes utilisées dans le laboratoire Joyce ouvrent également la voie à de futures expériences testant d’autres idées sur les origines de la vie, notamment les conditions environnementales qui auraient pu le mieux soutenir l’évolution de l’ARN, à la fois sur Terre et sur d’autres planètes.

Le travail a été soutenu par la NASA (80NSSC22K0973) et la Fondation Simons (287624).

DOI: 10.1073 / pnas.2321592121