Possible rôle des cristaux de glycine à l'origine de l’homochiralité

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

L’origine de l’homochiralité dans les systèmes vivants a passionné de nombreux chercheurs depuis les premières découvertes dans ce domaine par Pasteur. Ainsi, la quasi-totalité des acides aminés présents dans les cellules vivantes sont chiraux, c’est-à-dire, qu’ils peuvent exister sous deux formes, miroirs l’une de l’autre, non-superposables et appelées énantiomères. Une seule forme est présente dans les systèmes vivants et dans le cas des acides aminés, c’est le L (levogyre). On parle ainsi d’homochiralité.

Nos mains sont chirales, comme les molécules d’acides aminés (sauf la glycine).

Un seul acide aminé naturel ne possède pas cette propriété, le plus simple d’entre eux : la glycine (Gly), de formule H₂NCH₂CO₂H. Avec deux atomes d’hydrogène sur le carbone entre les groupes NH₂ et CO₂H, la glycine est donc achirale. Pendant longtemps, les chimistes ont considéré que seules les molécules chirales pouvait conduire à des cristaux chiraux. En fait la structure du cristal peut être chirale même avec des molécules achirales, qu’elles soient organiques ou inorganiques. L’exemple du chlorate de soude (NaClO₃), qui cristallise sous forme chirale, est connu depuis assez longtemps.

L’une des grandes questions liée à la compréhension de l’origine de la vie sur Terre est de comprendre pourquoi il n’y a qu’un type d’acides aminés (et qu’un type de sucres –les D, pour dextrogyres) présent dans les systèmes vivants. De nombreuses hypothèses ont proposé la formation ou l’isolement d’un seul énantiomère d’un acide aminé aux premières étapes de l’évolution chimique et le rôle possible de la glycine a souvent été négligé car elle était achirale. Cependant, une des formes cristallisées de la glycine, la forme γ, est chirale. En produisant des cristaux chiraux, nous avons ainsi pour chacun d’eux une brisure de symétrie à partir d’une molécule achirale. Comment pouvons-nous les produire et créer un excès énantiomérique de l’ensemble ?

Pendant la cristallisation lente de la glycine dans une solution aqueuse de chlorure de sodium, des cristaux chiraux sont formés mais le mélange a autant d’une forme que de l’autre. Dans une récente étude, une équipe franco-internationale a montré que sous forte agitation, un excès d’un des deux énantiomères apparaît de façon statistique. Ce phénomène est accentué lorsque des frictions importantes sont possibles grâce à la présence de billes de verre dans la solution. Par ailleurs l’addition d’une petite quantité d’un énantiomère d’un autre acide aminé, l’alanine (Ala), va accélérer le phénomène et imposer une chiralité des cristaux identiques à celle de l’énantiomère utilisé. Cet ensemencement a pu se faire sur la Terre Primitive à partir des excès énantiomériques des acides aminés présents dans les météorites.

Ces travaux montrent ainsi que la glycine pourrait avoir joué un rôle essentiel sous forme cristalline dans l’origine de l’homochiralité des molécules organiques de la Terre Primitive.

Publication originale :

• Tarasevych A.V., Sorochinsky A.E., Kukhar V.P., Toupet L., Crassous J., Guillemin J.-C. Attrition-induced spontaneous chiral amplification of the γ polymorphic modification of glycine. CrystEngComm 2015, 17, 1513-1517. DOI: 10.1039/c4ce02434f.

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