Proposition de thèse en chimie et exobiologie financée par la région Île de France

Un sujet de thèse sur la chimie prébiotique financé par la région Ile de France (DIM ACAV) est proposé au laboratoire réactivité de surface de l’UPMC (Paris). Si vous êtes (bientôt) titulaires d’un M2 à dominante chimie et motivés pour faire une thèse, saisissez cette occasion et contactez le Pr. Jean François Lambert.

(see in english below the french text)

Sujet de thèse

Directeur de thèse : Jean-Francois Lambert (Laboratoire de réactivité de surface)

Collaboration Marie-Christine Maurel, Laboratoire Acides nucléiques et biophotonique

Conditions d’apparition de la vie : synthèse prébiotique de ribonucléotides sur des surfaces minérales

1. Description du projet

Des surfaces minérales, celles des silicates présents dans les météorites de type chondrite carbonée, ou des argiles présentes à la surface de Mars, pourraient être à l’origine de l’apparition des biopolymères (ribonucléotides, peptides). En tant que support du matériel génétique, les oligonucléotides sont essentiels à la vie et dans les scénarios du « monde ARN », ils auraient joué en outre un rôle semblable à celui des enzymes, permettant de baser la biochimie des proto-organismes sur un seul type de molécule chimique. Mais un des problèmes majeurs à résoudre dans le cadre de ces scénarios est d’expliquer l’apparition des monomères, puis leur oligomérisation en conditions abiotiques Le monde inorganique, par l’intermédiaire des surfaces minérales, peut-il avoir joué un rôle pour  de l’émergence de la vie? La question a déjà été posée et dans une série de publications Ferris, Orgel et al. ont mentionné des résultats apparemment spectaculaires, par exemple avec la formation de polymères assez longs (jusque 55 monomères) à partir de ribonucléotides en présence de minéraux argileux. Quel que soit l’intérêt de ces études, force est de reconnaître qu’elles ne résolvent pas le principal problème thermodynamique car elles ne partent pas de monomères « nus », mais de nucléotides activés dont la polymérisation est thermodynamiquement favorable – mais dont la présence en conditions prébiotiques est fort douteuse.

2. Description de la thèse

L’objectif de la thèse sera donc de synthétiser et de caractériser des surfaces minérales ayant un fort potentiel pour la chimie prébiotique puis de les utiliser comme catalyseurs pour la condensation des unités de ribonucléotides : phosphate-ribose-nucléobases. Les phyllosilicates, comme la montmorillonite, dont la synthèse est parfaitement maîtrisée au LRS, seront initialement utilisés comme supports catalytiques. En parallèle, on synthétisera des sulfures, tels que les sulfures de fer, de plomb ou de zinc. Ces minéraux étaient largement présents sur terre dans une atmosphère primitive réductrice et pourraient présenter un fort potentiel pour la synthèse prébiotique de biomolécules. Dans un second temps, la phosphorylation de sucres sera étudiée à la surface de ces matériaux, ainsi que sur des échantillons de la météorite de Murchison, disponible au laboratoire des acides nucléiques et biophysiques. Les paramètres thermodynamiques et l’interaction surface-molécules seront particulièrement étudiés, par calorimétrie, RMN du solide (13C et 31P), spectroscopies XPS, IR, Raman. Suite à ce travail et selon la même démarche, on tentera de coupler ce sucre phosphorylé à une base puis après formation d’un nucléotide, d’allonger le biopolymère par formation de liaisons phosphodiesters.

3. Connaissances et compétences requises

Ce projet sur la chimie prébiotique des nucléotides se base sur une forte interdisciplinarité, couvrant la chimie des matériaux, la catalyse chimique et la biochimie. Le candidat recherché devra ainsi s’investir aussi bien dans la synthèse de matériaux et dans la caractérisation des systèmes hybrides synthétisés que dans l’étude biochimique des molécules qui se forment à la surface de ces matériaux. Un intérêt pour les questions liées aux origines de la vie est vivement souhaité.

Financement:

DIM Ile de France ACAV (Astrophysique et conditions d’origine de la vie) (acquis)

Contacts:

J-F. Lambert

0144275519

jean-francois.lambert@upmc.fr

T. Georgelin

0144275291

thomas.georgelin@upmc.fr

In English

Ph.D. proposal

Laboratory for surface reactivity

Ph.D. advisor : J-F Lambert

in collboration with M-C. Maurel, Laboratoiry for Nucleic Acids and Biophotonics

 Conditions for the appearance of life: Prebiotic synthesis of ribonucleotides. The catalytic effect of mineral surfaces.

1. General description and context

Mineral surfaces could have originated the appearance of the first biopolymers (ribonucleotides, peptides), either the surfaces of silicates present in carbonaceous chondrites, or of clays known to exist on planet Mars. Oligonucleotides are essential for life as a support of genetic information. In the « RNA world » scenarii, they are supposed to have played in addition the role of catalysts, similar to today’s enzymes, thus allowing primordial biochemistry to be based on a single category of biomolecules.

For such scenarii however, it remains a major problem to explain the appearance of the corresponding monomers, and then their oligomerisation in reasonable prebiotic conditions. Can the inorganic world, and more precisely mineral surfaces, have played a role in the emergence of life? The question has been asked before. In particular, a series of publications by Ferris, Orgel et al. have mentioned that rather long polymers (up to 55 monomers) can form ribonucleotides in the presence of clay minerals. No matter how interesting these studies may be, they do not solve the thermodynamical problem because they do not start from « naked » monomers, but from activated nucleotides whose polymerisation is thermodynamically favorable – but whose presence in prebiotic conditions is rather dubious.

2. Ph.D. research program

The main objective of this research program will be i) to synthesize and characterize mineral surfaces having a strong potential for prebiotic chemistry and ii) to use them as catalysts for the condensation of the constituting units of ribonucleotides : phosphate, ribose and nucleobases. The synthesis of clay minerals is well mastered at the LRS. These materials, and especially montmorillonite, will be synthesised for use as catalytic supports. In parallel, we will synthesise sulfides, chiefly of iron, lead and zinc. Such minerals were present in large amounts on the primordial earth due to its reducing atmosphere and could have a high potential in the frame of the prebiotic synthesis of biomolecules. In a second step, the phosphorylation of sugars will be studied on the surface of these materials, and on Murchison meteorite samples. Thermodynamic parametres and the isurface-biomolecules interaction will be studied by calorimetry, solid-state NMR (13C and 31P), mass spectrometry, XPS, IR, and Raman spectroscopies. Following this work and using a similar approach, we will attempt to couple this phosphorylated sugar to a nucleobase and then, after the formation of a nucleotide, to obtain longer and longer biopolymers by the formation of phosphodiester bonds.

3. Profile of the candidate

This project on the prebiotic chemistry of nucleotides is strongly interdisciplinary, as it covers materials chemistry, chemical catalysis and biochemistry. The candidate will learn to master solid materials synthesis, hybrid materials characterization techniques and biochemical characterization of the synthesized molecules. No prior specialized competence is required beyond a strong background in general and experimental chemistry. However, a strong degree of scientific curiosity and personal initiative, and an interest for the questions related to the origin of life, are highly desirable.