Cette histoire commence il y a plusieurs milliards d’années. Il n’y a que de la chimie, pas de biologie, c’est-à-dire qu’il existe de nombreux composés chimiques sur Terre, mais la vie n’a pas encore émergé. Puis, parmi des myriades de structures chimiques auto-assemblées au hasard, une minuscule machine moléculaire à ARN se révèle parfaitement adaptée à la création de liaisons entre les acides aminés activés, briques de base des futures protéines.
C’est un tournant dans l’histoire de notre planète : la synthèse des protéines, molécules biologiques essentielles à la vie, peut désormais commencer. Le professeur Ada Yonath et son équipe de l’Institut Weizmann des sciences pensent avoir recréé ce moment en laboratoire, montrant comment cela aurait pu se produire. Quant à la machine primordiale de fabrication de liaisons peptidiques, ils ont découvert qu’elle est toujours présente dans pratiquement toutes les cellules de tous les organismes vivants, des bactéries aux plantes et aux animaux, y compris nous-mêmes.
La théorie derrière le projet de l’équipe est née il y a une vingtaine d’années de découvertes surprenantes faites dans le laboratoire de Yonath au cours de la détermination de la structure et de la fonction du ribosome – une recherche qui lui a valu plus tard le prix Nobel de chimie 2009. Le ribosome effectue l’un des processus essentiels de la vie : la fabrication de protéines à partir des informations contenues dans l’ADN.
« Nous avons découvert une caractéristique surprenante dans la structure de cette machine de fabrication de protéines », explique le Dr Anat Bashan, scientifique senior du laboratoire de Yonath au département de biologie chimique et structurale de Weizmann. « Le ribosome est une énorme macromolécule qui n’est pas du tout symétrique ; en son cœur, il contient deux éléments semi-symétriques réunis pour former une poche.
Yonath dit qu’ils « ont été particulièrement frappés par le fait que cette poche se trouve dans les ribosomes de tous les organismes. Et c’est là que toute l’action a lieu – c’est là que toutes les liaisons peptidiques créent la chaîne d’acides aminés liés constituant une protéine. sont formés. C’est pourquoi cette machinerie de base semble avoir persisté sans changement tout au long de l’évolution. »
Découvrez le protoribosome : c’est ainsi que les scientifiques appellent cette structure en forme de poche. Ils ont émis l’hypothèse que le protoribosome est l’ancêtre de tous les ribosomes modernes, une ancienne machine datant de la période pré-vie. Comparé à la taille de la cellule, le protoribosome est plutôt petit. Il est constitué de molécules d’ARN comprenant quelque 120 nucléotides, environ 60 pour chacun de ses deux composants semi-symétriques, ce qui représente moins de 5 % des dimensions du ribosome moderne : quelque 4 500 nucléotides chez les bactéries et près de 6 000 chez l’homme.
Voici comment le scénario s’est déroulé, selon Yonath et son équipe :
Le protoribosome est né lorsqu’un groupe de chaînes de nucléotides d’ARN s’est auto-assemblé en deux parois semi-symétriques reliées pour créer une poche. D’innombrables autres structures ont dû s’auto-assembler accidentellement à peu près au même moment, mais le protoribosome a survécu, « devenant viral », semble-t-il, car il remplissait des fonctions utiles et, grâce aux capacités intrinsèques de l’ARN, il pouvait s’auto-répliquer.
Lorsque deux acides aminés activés interagissaient l’un avec l’autre dans cette poche, ils formaient une liaison, facilitée par les conditions chimiques régnantes. Ces acides aminés sont peut-être apparus sur Terre ou, comme certains le prétendent, ont atterri avec des astéroïdes venus de l’espace, mais leur origine n’a rien à voir avec notre histoire. Ce qui compte, c’est qu’au sein du protoribosome, deux acides aminés activés pourraient se lier l’un à l’autre. Plus tard, une telle liaison a uni beaucoup plus d’acides aminés, les reliant en une chaîne.
Ce fut le début des protéines, dont certaines se sont ensuite avérées utiles pour stabiliser et renforcer le protoribosome lui-même. Les protéines ont continué à s’ajouter à la structure du protoribosome, lui permettant d’évoluer vers l’usine sophistiquée de fabrication de protéines qu’elle est aujourd’hui. « Un ribosome moderne peut être décrit comme un oignon, avec le protoribosome en son centre, entouré de plusieurs couches qui ont été ajoutées au cours de l’évolution », explique Yonath.
Avec le temps, la production de protéines deviendrait suffisamment efficace pour créer des chaînes pouvant atteindre des milliers d’acides aminés, et ce, conformément aux instructions écrites dans le code génétique. Les dizaines de milliers de protéines du corps humain remplissent toutes des fonctions différentes, des hormones telles que l’insuline aux anticorps du système immunitaire, en passant par les composants structurels des cellules et des tissus tels que l’hémoglobine ou le collagène de la peau. Et tout a commencé par les liens qui se sont jadis formés par hasard au sein du protoribosome.
Avance rapide de quelques milliards d’années. La théorie avait été confirmée par des calculs, des déductions et des expériences de dimérisation, dans lesquelles les scientifiques ont créé des constructions dimériques d’ARN, imitant le protoribosome proposé. Mais jusqu’à récemment, les principes de la théorie restaient, eh bien, largement théoriques. Maintenant, dans une nouvelle étude dirigée par la chercheuse postdoctorale Dr Tanaya Bose dans le laboratoire de Yonath, les scientifiques lui ont fourni un soutien expérimental.
Bose et ses collègues ont cherché à savoir si un protoribosome synthétisé en laboratoire serait suffisamment stable pour survivre et effectuer sa fabrication de liaison présumée, c’est-à-dire qu’ils voulaient savoir s’il était effectivement capable de cette tâche. Elle et les autres membres de l’équipe de Yonath ont créé une conception pour un protoribosome potentiel en analysant les structures en forme de poche au cœur de plusieurs ribosomes bactériens. Bose a ensuite préparé ces constructions protoribosomales dans une boîte de laboratoire.
Vient ensuite l’étape cruciale : vérifier si les constructions dimères en forme de poche peuvent créer des liaisons entre les acides aminés. Après avoir mélangé les constructions avec une solution contenant des substrats d’acides aminés activés, ainsi que divers sels et autres réactifs, Bose a soumis les produits de la réaction à une batterie de tests, y compris une analyse par spectrométrie de masse.
Pour le plus grand plaisir de l’équipe, les protoribosomes synthétiques créés en laboratoire se sont montrés à la hauteur de la tâche. « La formation de liaisons peptidiques est l’activité la plus vitale de toute cellule, et nous avons montré qu’elle peut avoir lieu dans un protoribosome », déclare Bose.
« Le protoribosome proposé pourrait être le chaînon manquant entre un monde dominé par l’ARN – un monde qui aurait pu exister avant l’apparition des protéines et de l’ADN – et la vie basée sur les protéines et les acides nucléiques, telle que nous la connaissons aujourd’hui », déclare Bashan.
La recherche a été publiée dans Recherche sur les acides nucléiques.
Tanaya Bose et al, Origine de la vie : le protoribosome forme des liaisons peptidiques et relie les mondes dominés par l’ARN et les protéines, Recherche sur les acides nucléiques (2022). DOI : 10.1093/nar/gkac052