Par Louis d’Hendecourt, Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS) (communiqué INSU)
De l’hydantoïne a été obtenue en laboratoire dans des conditions similaires à celles existant au sein des glaces interstellaires. C’est le résultat auquel viennent d’arriver des chercheurs de l’Institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS, Université Paris-sud), du Centre de Biophysique Moléculaire (CNRS) et de la NASA. Issue de la condensation de l’urée et de l’acide glycolique présentes par ailleurs dans les météorites, l’hydantoïne, peut jouer le rôle de catalyseur pour la formation de chaines peptidiques. Cette formation de proto-protéines peut avoir lieu dans des conditions adéquates, telles celles qui existaient dans les océans de la Terre primitive, étape probablement essentielle à l’apparition de la vie.
Le milieu interstellaire contient beaucoup de molécules, en particulier organiques. Observées dans la phase gazeuse par la radioastronomie, ces molécules se condensent facilement sous forme de glaces « sales », sur les grains interstellaires dans les régions de formation d’étoiles, connues sous le nom de nuage moléculaires denses. En s’effondrant, ces nuages vont former étoiles, disques protoplanétaires, planètes et toutes sortes de débris comme les comètes et les astéroïdes. L’hypothèse selon laquelle comètes et astéroïdes en tombant à la surface de la Terre ont pu amener eau et matière organique nécessaires à une activité de chimie prébiotique menant ensuite à l’origine de la vie a été considérée depuis longtemps. Ces glaces sales peuvent être reproduites en laboratoire, leurs spectres infrarouges enregistrés et comparés avec succès aux observations astronomiques. La simulation en laboratoire peut prendre en compte les processus d’irradiation, en particulier dans l’ultraviolet, qui mènent à une photochimie très riche et à la fabrication dans ces glaces de nombreux composés chimiques considérés comme prébiotiques, en particulier de très nombreux acides aminés.
Comète Hale-Bopp avec en surimpression la formule chimique de l'hydantoïne. © N. Biver. LESIA.
Au cours de ces simulations, des molécules aussi importantes que l’urée et l’acide glycolique sont formées, molécules déjà présentes dans les comètes. Or, en chimie organique la condensation de l’urée et de l’acide glycolique permet d’obtenir une molécule bien spécifique, l’hydantoïne. Une collaboration entre des chercheurs de l’Institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS-UPS) à Orsay, du Centre de Biophysique Moléculaire à Orléans (CNRS) et de NASA Ames a permis de détecter récemment cette importante molécule dans les résidus organiques produits lors de ces simulations. L’importance de ce résultat tient dans le fait que l’ hydantoïne est connue pour être un catalyseur de formation de chaînes peptidiques et donc de ce que les chimistes appellent des oligopeptides qui peuvent être considérées comme des protoprotéines. Ainsi donc, dans des conditions anoxiques de l’atmosphère primitive de la Terre et en présence d’eau liquide, la libération d’hydantoïne, en complément de nombreuses autres molécules organiques, permettrait de faciliter grandement la fabrication de « protoprotéines » en milieu aqueux ainsi que suggéré par les modèles théoriques développés dans les années 1990 par A. Commeyras à Montpellier. Ce résultat sur l’hydantoïne devrait permettre d’élaborer des scénarios expérimentaux visant à la production des ces oligopeptides dans un océan primitif par un processus physico-chimique déterministe menant à l’apparition de protéines, une étape incontournable pour l’apparition de la vie.
Pour en savoir plus :
« Prebiotic Significance of Extraterrestrial Ice Photochemistry : Detection of Hydantoin in Organic Residues ». Pierre de Marcellus, Marylène Bertrand, Michel Nuevo, Frances Westall, and Louis Le Sergeant d’Hendecourt. L., Astrobiology, vol. 11, no. 9, pages 847-854, Novembre 2011.
Intéressante publication mais il ne faut pas perdre de vue que l’origine de la vie tient dans sa mémoire: le code génétique; or le code génétique n’est pas protéique ce qui les exclue donc obligatoirement du début du scénario. Qui plus est ici on a aucune idée de rendement de formation pour l’hydantoïne, qui s’il est faible, n’a sans doute laissé aucune chance à cette molécule dans la synthèse éventuelle de proténoïdes.
Bref, un tout petit pas en avant sur une piste probablement accessoire, voire erronée de l’apparition du vivant.
Bien vu ce commentaire. Cela dit, nous ne parlons pas du vivant, ni du code génétique mais bien de chimie prébiotique et de possible voie de formation d’oligopeptides, appelées dans cet article proto-protéines.
Pour un biologiste, une protéine est synthétisée par un enzyme, elle même une protéine, c’est le classique problème de l’oeuf et de la poule. Pour les physiciens (que nous sommes), il faut d’abord produire ces oligopeptides ou proto-protéines (mais pas encore réellement biomolécules).
Bien évidemment il est hors de question, dans ce genre d’approche de simuler l’apparition de la vie avec un code génétique mais bien de faire une expérience de chimie prébiotique (le suffixe pré n’est pas anodin).
Pour le rendement, vous avez mille fois raison, car il est faible. Le principal point ici est de montrer une approche expérimentale qui pousse, en quelque sorte, l’astrochimie vers la chimie prébiotique. Les hydantoïnes (classe de molécules) sont présentes et abondantes dans la matière organique des météorites. Notre hypothèse n’est donc pas si « accessoire » que cela mais montre au contraire qu’il est possible de travailler sur ce sujet à l’aide de l’expérimentation. Ces idées sont développées dans un autre article à paraître et bien évidemment font l’objet de tous nos efforts expérimentaux présents et futurs.
Bien à vous
LdH
Merci pour votre réponse qui apporte un éclairage à plusieurs points de mon commentaire. En effet, la démonstration faite dans votre article ouvre la porte à une nouvelle voie de formation possible pour des « proto-protéines », certainement à remplacer dans le schéma théorique du « métabolisme pré-biotique ». Il est cependant à préciser que l'(auto)condensation des hydantoïnes présente un défaut majeur de sélectivité, puisqu’une hydantoïne catalysera la condensation sur n’importe quelle amine (R-NH2) présente dans le milieu, que celle ci soit sur un acide aminé ou non et quelque soit la position de l’amine sur l’acide aminé; je vous concède volontiers une différence d’électronégativité entre les différents cas de figure mais dans tous les cas on obtiendra au final strictement n’importe quoi avec notamment une forte proportion de réactions bloquant l’allongement des chaines.
Cela dit ce que je souhaitais soulever dans ma remarque est la finalité de votre travail. Démontrer la possible formation de proténoïdes est une chose, mais je ne vois pas très bien où cela peut mener derrière, c’est là le fond de mon questionnement sur le sujet: à quoi pourraient bien servir la formation de proto-protéines composées au hasard dans un environnement prébiotique?
Etant donné que l’on peut exclure une activité enzymatique précise (étant donné qu’on fait n’importe quoi, une telle activité serait en tous les cas anecdotique), il ne reste qu’une hypothétique fonction de structure liée aux propriétés génériques de ces proto-protéines; ces propriétés ont-elles quelque chose d’intéressant?
Je suis d’accord avec vous. Je pense qu’il ne faut pas prendre ces résultats complètement « au pied de la lettre ». Il démontre simplement qu’une approche expérimentale essayant d’unifier astrochimie et chimie prébiotique est possible dans un cadre expérimental, c’est à peu près tout. Je suis aussi d’accord avec la suite de votre commentaire et à ce stade, je ne peux qu’en prendre bonne note. Là encore, un article en préparation propose une discussion plus générale de ce que pourrait être ce sujet expérimental.
Je vous trouve tout de même un peu trop exigeant: « Démontrer la possible formation de proténoïdes est une chose, mais je ne vois pas très bien où cela peut mener derrière, c’est là le fond de mon questionnement sur le sujet: à quoi pourraient bien servir la formation de proto-protéines composées au hasard dans un environnement prébiotique? »
Je pourrais simplement vous dire que ne pas le démontrer vous avancerait encore moins. Je suis parfaitement conscient de ce problème de hasard et compte bien arriver à montrer in fine une sélectivité non due au hasard (je ne sais pas si je vais y arriver). Cela sera certainement pas facile.
Votre dernier point: je ne sais pas… personne n’est parfait!
Sincèrement
LdH
Je vois qu’au final nous partageons les même exigences puisque vous cherchez à répondre in fine à la question qui me taraude, manifestement autant que vous. En tout les cas je vous remercie pour le travail effectué par vos soins et ceux de l’équipe avançant sur ce sujet. Lier l’astrochimie aux cheminement possible de la vie est en soi une réussite qui vaut tous les honneurs.
Concernant le rôle primordial des acides aminés et des proto-protéines, je soupçonne fort un mécanisme « para-génétique » de protection des ARN primordiaux. Une courte revue des mécanismes inventés par la vie pour protéger sa mémoire génétique devrait vous éclairer sur le rôle possible de ces oligomères, voire vous éclairer sur l’origine du code génétique.
G.