Les chercheurs ont découvert un cadre évolutif plausible dans lequel les acides nucléiques – les éléments génétiques fondamentaux de la vie – pourraient permettre leur propre réplication, conduisant éventuellement à la vie sur Terre.
L’étude, publié aujourd’hui sous forme de prépublication révisée dans eLifea été décrit par les éditeurs comme un travail important avec des preuves convaincantes montrant comment un simple réglage géophysique d’un écoulement de gaz sur un canal d’eau étroit peut créer un environnement physique conduisant à la réplication d’acides nucléiques. Ces travaux intéresseront les scientifiques travaillant sur l’origine de la vie et, plus largement, sur les acides nucléiques et les applications diagnostiques.
L’émergence de la vie sur Terre reste une énigme non résolue, mais une théorie courante veut que la réplication du matériel génétique – les acides nucléiques ADN et ARN – soit un processus central et critique. Les molécules d’ARN peuvent stocker des informations génétiques et catalyser leur propre réplication en formant des hélices double brin. La combinaison de ces capacités leur permet de muter, d’évoluer et de s’adapter à divers environnements et, finalement, de coder les éléments constitutifs des protéines de la vie.
Pour que cela se produise, les brins d’ARN doivent non seulement se répliquer sous une forme double brin, mais également se séparer à nouveau pour terminer le cycle de réplication. La séparation des brins, cependant, est une tâche difficile aux concentrations élevées de sel et d’acide nucléique requises pour la réplication.
« Divers mécanismes ont été étudiés pour leur potentiel à séparer les brins d’ADN à l’origine de la vie, mais ils nécessitent tous des changements de température qui conduiraient à une dégradation des acides nucléiques », explique l’auteur principal Philipp Schwintek, titulaire d’un doctorat. étudiant en biophysique des systèmes à la Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Allemagne.
« Nous avons étudié un scénario géologique simple et omniprésent dans lequel le mouvement de l’eau à travers un pore de roche était asséché par un gaz percolant à travers la roche pour atteindre la surface. Un tel contexte serait très courant sur les îles volcaniques de la Terre primitive qui offraient les conditions sèches nécessaires pour Synthèse d’ARN. »
L’équipe a construit un modèle de laboratoire des pores de la roche présentant un flux d’eau ascendant s’évaporant à une intersection avec un flux de gaz perpendiculaire, ce qui conduit à une accumulation de molécules de gaz dissoutes à la surface. Dans le même temps, le flux gazeux induit des courants circulaires dans l’eau, repoussant les molécules dans la masse. Pour comprendre comment ce modèle affecterait les acides nucléiques dans l’environnement, ils ont utilisé des billes pour surveiller la dynamique du débit d’eau, puis ont suivi le mouvement de courts fragments d’ADN marqués par fluorescence.
« Nous nous attendions à ce qu’une évaporation continue conduise à une accumulation de brins d’ADN à l’interface », explique Schwintek. « En effet, nous avons constaté que l’eau s’évaporait continuellement à l’interface mais que les acides nucléiques de la face aqueuse s’accumulaient près de l’interface gaz/eau. » Cinq minutes après le début de l’expérience, l’accumulation de brins d’ADN était trois fois supérieure, tandis qu’après une heure, il y avait 30 fois plus de brins d’ADN accumulés à l’interface.
Bien que cela suggère que l’interface gaz/eau permet une concentration suffisante d’acides nucléiques pour que la réplication se produise, la séparation des doubles brins d’ADN est également nécessaire. Habituellement, un changement de température est nécessaire, mais lorsque la température est constante, des changements de concentration en sel sont nécessaires.
« Nous avons émis l’hypothèse que l’écoulement circulaire du fluide à l’interface fourni par le flux gazeux, parallèlement à la diffusion passive, entraînerait la séparation des brins en forçant les acides nucléiques à travers des zones présentant des concentrations de sel différentes », explique l’auteur principal Dieter Braun, professeur de biophysique des systèmes à Ludwig. -Maximilians-Université de Munich.
Pour tester cela, ils ont utilisé une méthode appelée spectroscopie FRET pour mesurer la séparation des brins d’ADN : un signal FRET élevé montre que les brins d’ADN sont toujours liés, tandis qu’un signal FRET faible indique que les brins sont séparés. Comme prévu, le signal FRET a augmenté initialement près de l’interface gaz-eau, indiquant la formation d’ADN double brin. Mais au cours de l’expérience, où il y avait un flux d’eau ascendant, le signal FRET était faible, indiquant un ADN simple brin.
De plus, lorsque l’équipe a superposé ces données avec sa simulation du débit d’eau et des concentrations de sel, elle a découvert que le vortex à l’interface gaz-eau provoquait des changements jusqu’à trois fois plus élevés dans les concentrations de sel, potentiellement capables de provoquer une séparation des brins.
Bien que les acides nucléiques et les sels se soient accumulés près de l’interface gaz-eau, dans la majeure partie de l’eau, les concentrations de sel et d’acides nucléiques sont restées extrêmement faibles. Cela a incité l’équipe à tester si la réplication des acides nucléiques pouvait réellement se produire dans cet environnement, en ajoutant des acides nucléiques marqués avec un colorant fluorescent et une enzyme capable de synthétiser de l’ADN double brin dans le modèle de laboratoire du pore de la roche. Contrairement aux réactions normales de synthèse d’ADN en laboratoire, la température a été maintenue à une température constante et la réaction a été exposée à l’afflux combiné d’eau et de gaz.
Après deux heures, le signal fluorescent avait augmenté, indiquant un nombre accru de molécules d’ADN double brin répliquées. Pourtant, lorsque l’afflux de gaz et d’eau a été coupé, aucune augmentation des signaux de fluorescence n’a été observée, et donc aucune augmentation de l’ADN double brin n’a été observée.
« Dans ce travail, nous avons étudié un environnement géologique plausible et abondant qui pourrait déclencher la réplication du début de la vie », conclut Braun. « Nous avons considéré un environnement de gaz circulant sur un pore de roche ouvert rempli d’eau, sans aucun changement de température, et avons constaté que le flux combiné de gaz et d’eau peut déclencher des fluctuations de sel qui favorisent la réplication de l’ADN.
« Comme il s’agit d’une géométrie très simple, nos découvertes étendent considérablement le répertoire d’environnements potentiels qui pourraient permettre une réplication sur les premières planètes. »
Plus d’informations :
Philipp Schwintek et al, L’environnement de flux de gaz prébiotique permet la réplication isotherme de l’acide nucléique, eLife (2024). DOI : 10.7554/eLife.100152.1