Les polymères génétiques ARN et ADN sont au cœur du stockage de l’information dans tous les systèmes biologiques et, en tant que tels, constituent le noyau de la plupart des hypothèses sur l’origine de la vie. La plus importante de ces théories est l’hypothèse du « monde de l’ARN », qui postule que l’ARN était autrefois à la fois le vecteur d’information central et le catalyseur des réactions biochimiques sur Terre avant l’émergence de la vie1. Cependant, les études des dernières années (voir réf. 2, par exemple) ont suggéré que les premiers systèmes génétiques pourraient avoir été basés sur des molécules d’acide nucléique contenant à la fois des nucléotides d’ARN et d’ADN, qui se sont ensuite progressivement auto-séparés en ARN et ADN d’aujourd’hui. Écrire dans la nature, Xu et al.3 offrent un support expérimental fascinant pour un monde mixte ARN-ADN.
On pense que les processus géochimiques primordiaux ont conduit à la formation des blocs constitutifs des acides nucléiques — les nucléotides et les nucléosides (nucléotides dépourvus de groupe phosphate). Dans des conditions appropriées, ces blocs de construction se sont polymérisés et les brins résultants ont fini par se répliquer, sans l’aide d’enzymes protéiques modernes.
Les travailleurs du même groupe de recherche que Xu et al. avait précédemment identifié4 un réseau de réactions favorisées par la lumière ultraviolette qui a abouti à la synthèse de deux des nucléosides standard présents dans l’ARN : l’uridine (U) et la cytidine (C), qui sont collectivement appelées pyrimidines (Fig. 1). Ces réactions ont commencé à partir du cyanure d’hydrogène (HCN) et de ses dérivés, des molécules simples que l’on pensait facilement disponibles sur Terre primitive. D’autres études et le développement de ce réseau réactionnel ont soulevé la possibilité intrigante que des précurseurs de protéines et de lipides aient pu apparaître simultanément aux côtés de nucléosides5 — fournissant ainsi trois des principaux types de molécules nécessaires à la fabrication des cellules. Cependant, une voie complémentaire pour la formation des deux autres nucléosides d’ARN standard (adénosine et guanosine, appelées purines) utilisant la même chimie à base de HCN est restée insaisissable.
Figure 1/Un réseau réactionnel qui produit à la fois des sous-unités d’ADN et d’ARN. On sait qu’un réseau de réactions chimiques produit les sous-unités d’ARN cytidine (C) et uridine(U), dans des conditions qui auraient pu se produire sur la Terre prébiotique4. Le réseau part du cyanure d’hydrogène (HCN) et passe par un intermédiaire appelé ribo-aminooxazoline (RAO). Xu et coll.3 signalons maintenant que les composés appelés α-anhydropyrimidines produits dans la voie de C et U peuvent également être convertis en parallèle en sous-unités d’ADN désoxyinosine (dI) et désoxyadénosine (dA). Ces sous-unités peuvent former des paires de bases avec C et U. Les quatre sous—unités — C, U, dI et dA – constituent donc un « alphabet » génétique complet qui aurait pu être utilisé pour coder des informations biologiques sur la Terre primitive.
Dans le présent travail, Xu et al. composés revisités produits comme intermédiaires dans le réseau réactionnel précédemment établi4 qui synthétise U et C. Ils ont identifié une voie dans laquelle un intermédiaire clé de la synthèse pyrimidine-nucléoside, la ribo-aminooxazoline (RAO; Fig. 1), peut également être converti en deux nucléosides d’ADN purine, la désoxyadénosine (dA) et la désoxyinosine (dI, qui n’est pas l’un des nucléosides standard présents dans l’ADN moderne). De manière cruciale, ces nucléosides d’ADN peuvent former des paires de bases avec U et C. Les quatre nucléosides — U, C, dA et dI — constituent donc un « alphabet » complet qui pourrait avoir codé l’information génétique dans les acides nucléiques dans un monde ARN–ADN prébiotique.
Il est important de noter que la synthèse de dA et de dI peut se produire en parallèle avec celle de U et de C, produisant des mélanges des quatre produits dans des rendements et des rapports adaptés à la construction d’un système génétique. Cette compatibilité mutuelle des deux voies de synthèse augmente la plausibilité du réseau réactionnel en tant que système prébiotique — si les deux synthèses étaient incompatibles, des scénarios géologiques devraient être inventés pour expliquer comment ils auraient pu être séparés en différents pools pour permettre la chimie de se produire, puis combinés pour permettre la formation de molécules hybrides ARN–ADN. Notamment, dans certaines conditions réactionnelles, U et C ne peuvent survivre qu’en présence des composés thioanhydropuriniques qui agissent comme précurseurs directs du dA et du dI.
De nombreuses molécules organiques peuvent être produites sous forme de versions gauches et droitières, appelées énantiomères, qui sont des images miroir les unes des autres. Cependant, les nucléotides modernes et leurs blocs de construction prennent tous la même forme énantiomérique. L’une des principales difficultés de la recherche sur les origines de la vie est d’expliquer comment des énantiomères uniques ont pu être générés à partir de molécules précurseurs simples qui n’ont pas de main et qui auraient pu se former sur la Terre prébiotique. La synthèse des purines de Xu et ses collègues est intéressante à cet égard, car elle est hautement sélective pour les énantiomères et autres isomères des nucléosides observés en biologie moderne.
Des voies alternatives ont été rapportées pour la synthèse prébiotique combinée de nucléosides et de nucléotides de pyrimidine et de purine6,7. Ces voies nécessitent l’utilisation de sucres chimiquement et énantiomériquement purs comme matières de départ, ce qui pose le problème que d’autres processus prébiotiques, souvent inconnus, auraient été nécessaires pour fournir ces matières de départ8. En revanche, l’énantiosélectivité rapportée par Xu et al. dérive du RAO, qui peut cristalliser en un seul énantiomère à partir de réactions dans lesquelles les matières premières sont presque racémiques9 (c’est-à-dire que les matières premières sont constituées d’un mélange presque égal d’énantiomères).
La synthèse nucléosidique peut également conduire à des produits dans lesquels la base du nucléoside est attachée au sucre dans une mauvaise orientation. Dans la voie synthétique de Xu et de ses collègues, une réduction chimique induite par les UV se produit qui conduit à la destruction remarquablement sélective de ces sous-produits indésirables, ne produisant finalement que les isomères biologiquement pertinents des purines. Étant donné que la Terre primitive était fortement irradiée par les UV, la sélectivité remarquable de cette réaction suggère un mécanisme possible par lequel le pool total d’isomères potentiels d’acides nucléiques a été réduit au sous-ensemble d’isomères observés aujourd’hui dans la nature.
Les travaux de Xu et de ses collègues soutiennent une vision de l’évolution moléculaire précoce quelque peu éloignée de l’hypothèse conventionnelle du monde ARN « pur », et offrent peut-être une voie plus plausible vers l’origine de la vie à partir d’environnements chimiques mixtes et complexes. Étant donné l’absence de « fossiles chimiques » et l’incertitude sur les conditions exactes et la chimie qui se sont produites sur la Terre primitive, il est impossible de dire quelles voies chimiques ont réellement eu lieu. Au lieu de cela, nous devons nous assurer que les systèmes proposés se conforment le plus possible à notre compréhension de ce qui aurait pu se produire de manière réaliste sur la Terre prébiotique — non seulement la chimie, mais aussi la complexité globale des réseaux réactionnels et leur compatibilité avec d’autres processus.
Dans les travaux actuels, les auteurs montrent que les quatre nucléosides peuvent en effet être produits par des processus dont on pouvait raisonnablement s’attendre à ce qu’ils se soient produits au début de la Terre (tels que l’hydrolyse, le séchage et l’irradiation UV), et fournissent des voies synthétiques plausibles qui pourraient fournir aux réactions les matières premières nécessaires. Cependant, comme pour toutes les synthèses prébiotiques, il reste difficile d’envisager le microenvironnement réel qui aurait pu soutenir les nombreuses transformations chimiques spécifiques nécessaires pour produire les éléments constitutifs de la vie en quantité.
Néanmoins, les travaux de Xu et de ses collègues démontrent de manière impressionnante comment un alphabet génétique complet a pu naître. Peu importe si nous pensons que la vie s’est développée à partir d’ARN seul ou de mélanges plus complexes d’acides nucléiques, la réflexion au niveau des systèmes pour trouver des voies chimiques prébiotiques mutuellement compatibles sera cruciale pour développer des modèles vraiment plausibles des premières étapes de l’émergence de la vie.