Enantioenrichissement des acides aminés par sublimation à haute température

Par Jean-Claude Guillemin, Directeur de Recherche à l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes

Les molécules chirales existent sous deux formes R et S (anciennement D et L sans correspondance systématique entre les deux systèmes), images l’une de l’autre dans un miroir et appelées énantiomères. Les systèmes vivants sont constitués d’acides aminés L et de sucres D. Or, la chimie classique produit autant de chaque énantiomère (mélange racémique).

La formation préférentielle pour tous ces constituants du vivant d’un seul énantiomère ou sa sélection pour élaborer les premiers macromolécules homochirales est un problème récurrent en chimie prébiotique depuis que Pasteur, Lebel et Vant’Hoff ont mis en évidence ce problème. Une solution souvent proposée est l’existence d’un énantiomère en excès et de réactions d’amplifications subséquentes. Quelles sont les sources possibles d’un déséquilibre initial ? A ce jour, on ne connaît qu’une origine possible sur la Terre Primitive : les météorites qui contiennent parfois des acides aminés en léger excès de l’énantiomère  L. Toutefois, comment un petit écart a-t-il pu croître pour  conduire à un excès important voir à l’unicité d’un des deux énantiomères ?

La surface de la Terre primitive était sujette à un bombardement météoritique et à une activité volcanique intenses. Dans ce contexte, la sublimation à haute température a peut-être pu jouer un rôle important dans l’enrichissement énantiomérique des acides aminés apportés par les météorites. (crédit image : NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Les réponses proposées à ce jour sont diverses et souvent très sophistiquées au niveau expérimental : par exemple, la saturation des lacs ou lagons par l’énantiomère en excès plus soluble que le racémique, ou la cristallisation sélective des énantiomères de même signe lorsqu’un conglomérat est abondant, etc… Ce type d’approches nécessite toutefois de disposer de quantités importantes d’acides aminés. Cependant, la sublimation à très haute température des acides aminés peut donner une réponse plus plausible à cet enrichissement. Dans une étude récente, une équipe franco-internationale a montré que la sublimation du mélange d’un énantiomère et d’un racémique en quantité plus faible conduit à l’enrichissement de ce dernier, avec le signe de l’énantiopure de départ. Cet enrichissement est encore plus fort avec des mélanges de racémiques sublimés avec un énantiopure montrant un effet de synergie. Même un acide aminé énantioenrichi suffit à initier le processus, ce dernier étant lui aussi plus énantioenrichi après la sublimation.

Les réactions ont aussi l’avantage d’être réalisables au laboratoire avec un équipement particulièrement simple : dans un erlernmeyer sur une plaque chauffée à 500°C.

La sublimation répétée à haute température d’un mélange d’un acide aminé énantiopure (ou enantio-enrichi) et d’un d’un mélange racémique d’autres acides aminés conduit à l’enrichissement énantiomérique de ce mélange.

Effet de synergie. A : 1 equiv L-Val, 1.5 equiv Leu. B : 1 equiv L-Val, 0.25 equiv Leu. C : 1 equiv Val, 6 x 0.25 equiv AAs.

On peut imaginer que sur la Terre Primitive, sujette à un bombardement intense de météorites et à de nombreuses coulées de lave, des sublimations répétées d’acides aminés contenant pour certains des excès énantiomériques L ont conduit à un enrichissement en énantiomères L aux premiers stades de l’évolution chimique.

Cette approche présente les avantages :

• de la simplicité,
• de la répétitivité conduisant à une amélioration progressive des excès énantiomériques de même signe,
• d’être dotée d’une propriété d’induction observée pour tous les acides aminés hydrocarbonés monosubstitués étudiés,
• et d’une synergie en faveur des mélanges complexes, caractéristique qui pourrait être un prérequis en chimie prébiotique.

Publication originale :

• A. V. Tarasevych, A. E. Sorochinsky, V. P. Kukhar, J.- C. Guillemin, High Temperature Sublimation of α-Amino Acids: A Realistic Prebiotic Process Leading to Large Enantiomeric Excess. Chem. Comm. 2015, 51, 7054-7057.

Contacter l’auteur : jean-claude.guillemin@ensc-rennes.fr