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

Modélisation des origines de la vie : nouvelles preuves 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'ARN autonome en laboratoire

LA JOLLA—Charles Darwin a décrit l'évolution comme une « descente avec modification ». Les informations génétiques sous forme de séquences d'ADN sont copiées et transmises d'une génération à l'autre. Mais ce processus doit également être quelque peu 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 avoir lieu à une échelle plus simple ? Des scientifiques des années 1960, dont Leslie Orgel, membre de Salk, ont proposé que la vie ait commencé avec le « monde de l’ARN », une ère hypothétique dans laquelle de petites molécules d’ARN filandreuses régnaient sur la Terre primitive et établissaient la dynamique de l’évolution darwinienne.

De nouvelles recherches menées au Salk Institute fournissent désormais de nouvelles informations sur les origines de la vie, présentant des preuves convaincantes à l’appui de l’hypothèse du monde de l’ARN. L'étude, publiée dans Actes de l'Académie Nationale des Sciences (PNAS) le 4 mars 2024, dévoile une enzyme à ARN capable de faire des copies précises d'autres brins d'ARN fonctionnels, tout en permettant également l'émergence de nouvelles variantes de la molécule au fil du temps. Ces capacités remarquables suggèrent que les premières formes d’évolution pourraient s’être produites à l’échelle moléculaire dans l’ARN.

Les résultats rapprochent également les scientifiques de la recréation d’une vie basée sur l’ARN en laboratoire. En modélisant ces environnements primitifs en laboratoire, les scientifiques peuvent directement tester des hypothèses sur la façon dont la vie a pu commencer sur Terre, ou même 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 cela reste flou. Les hélices d'ADN double brin sont idéales pour stocker des informations génétiques. Beaucoup de ces gènes codent pour des protéines, des machines moléculaires complexes qui remplissent toutes sortes de fonctions pour maintenir les cellules en vie. Ce qui rend l’ARN unique, c’est que ces molécules peuvent faire un peu des deux. Ils sont constitués de séquences nucléotidiques étendues, semblables à l’ADN, mais ils peuvent également agir comme des enzymes pour faciliter les réactions, un peu comme les protéines. Alors, est-il possible que l’ARN ait servi de précurseur à la vie telle que nous la connaissons ?

Des scientifiques comme Joyce explorent cette idée depuis des années, en se concentrant particulièrement sur les ribozymes d’ARN polymérase, des molécules d’ARN capables de faire des copies d’autres brins d’ARN. Au cours de la dernière décennie, Joyce et son équipe ont développé des ribozymes d’ARN polymérase en laboratoire, en utilisant une forme d’évolution dirigée pour produire de nouvelles versions capables de répliquer des molécules plus grosses. Mais la plupart présentent un défaut fatal : ils ne sont pas capables de copier les séquences avec une précision suffisamment élevée. Au fil de nombreuses générations, tant d’erreurs sont introduites dans la séquence que les brins d’ARN résultants ne ressemblent plus à la séquence d’origine et ont entièrement perdu 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 « marteau », une petite molécule qui coupe d’autres molécules d’ARN en morceaux. Les chercheurs ont été surpris de constater que non seulement l’ARN polymérase ribozyme reproduisait avec précision les requins-marteaux fonctionnels, mais qu’au fil du temps, de nouvelles variations des requins-marteaux ont commencé à émerger. Ces nouvelles variantes ont fonctionné de manière similaire, mais leurs mutations les ont rendues plus faciles à reproduire, ce qui a augmenté leur aptitude évolutive et les a amenées à dominer finalement la population de requins-marteaux du laboratoire.

"Nous nous demandons depuis longtemps à quel point la vie était simple à ses débuts et à quel moment elle avait acquis la capacité de commencer à s'améliorer", explique le premier auteur Nikolaos Papastavrou, chercheur associé au laboratoire de Joyce. « Cette étude suggère que l’aube de l’évolution aurait pu être très précoce et très simple. Quelque chose au niveau des molécules individuelles pourrait soutenir l’évolution darwinienne, et cela aurait pu être l’étincelle qui a permis à la vie de devenir plus complexe, passant des molécules aux cellules puis aux organismes multicellulaires.

Les résultats mettent en évidence l’importance cruciale de la fidélité de la réplication pour rendre l’évolution possible. La précision de copie de l'ARN polymérase doit dépasser un seuil critique pour conserver les informations héréditaires sur plusieurs générations, et ce seuil aurait augmenté à mesure que les ARN en évolution augmentaient en taille et en complexité.

L'équipe de Joyce recrée ce processus dans des tubes à essai de laboratoire, en appliquant une pression sélective croissante sur le système pour produire des polymérases plus performantes, dans le but de produire un jour une ARN polymérase capable de se répliquer. Cela marquerait le début de la vie autonome de l’ARN en laboratoire, ce qui, selon les chercheurs, pourrait être réalisé au cours de la prochaine décennie.

Les scientifiques s’intéressent également à ce qui pourrait se passer une fois que ce mini « Monde de l’ARN » aura acquis plus d’autonomie.

"Nous avons vu que la pression de sélection peut améliorer les ARN dotés d'une fonction existante, mais si nous laissons le système évoluer plus longtemps avec des populations plus importantes de molécules d'ARN, de nouvelles fonctions peuvent-elles être inventées ?" » déclare le co-auteur David Horning, scientifique du laboratoire de Joyce. "Nous sommes ravis de répondre à la manière dont la petite enfance pourrait accroître sa propre complexité, en utilisant les outils développés ici à Salk."

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

Les travaux ont été soutenus par la NASA (80NSSC22K0973) et la Fondation Simons (287624).

DOI: 10.1073 / pnas.2321592121