Il y a quatre milliards d’années, les premiers précurseurs moléculaires de la vie sont apparus, tourbillonnant dans la soupe primordiale de produits chimiques de la Terre. Bien que l’identité de ces molécules reste un sujet de débat houleux, les scientifiques s’accordent à dire que les molécules auraient dû remplir deux fonctions majeures : stocker des informations et catalyser des réactions chimiques. La cellule moderne attribue ces responsabilités à son ADN et à ses protéines, respectivement – mais selon le récit qui domine aujourd’hui la recherche sur l’origine de la vie et les descriptions des manuels de biologie, l’ARN a été le premier à jouer ce rôle, ouvrant la voie à l’ADN et aux protéines pour prendre le relais par la suite.
Cette hypothèse, proposée dans les années 1960 et surnommée le « monde de l’ARN » deux décennies plus tard, est généralement considérée comme l’explication la plus probable de la façon dont la vie a commencé. Les « mondes » alternatifs abondent, mais ils sont souvent considérés comme des théories de repli, des envolées fantaisistes ou des expériences de pensée fantaisistes.
C’est principalement parce que, théorisation mise à part, le monde de l’ARN est fortifié par beaucoup plus de preuves expérimentales que n’importe lequel de ses concurrents ont accumulé. Le mois dernier, Quanta Magazine a fait état d’une théorie alternative suggérant que les molécules de type protéique, plutôt que l’ARN, pourraient avoir été les premiers auto-réplicateurs de la planète. Mais ses conclusions étaient purement computationnelles ; les chercheurs viennent seulement de commencer des expériences pour chercher à soutenir leurs affirmations.
Maintenant, une paire de chercheurs a proposé une autre théorie – cette fois impliquant la coévolution de l’ARN et des peptides – qui, espèrent-ils, ébranlera l’emprise du monde de l’ARN.
Pourquoi l’ARN était insuffisant
Des articles récents publiés dans Biosystems and Molecular Biology and Evolution ont délimité pourquoi l’hypothèse du monde ARN ne fournit pas une base suffisante pour les événements évolutifs qui ont suivi. Selon Charles Carter, biologiste structurel à l’Université de Caroline du Nord, Chapel Hill, qui a cosigné les articles, le modèle représente plutôt « une proposition expéditive ». « Il est impossible qu’un seul polymère puisse réaliser tous les processus nécessaires que nous caractérisons maintenant comme faisant partie de la vie », a-t-il ajouté.
Et ce polymère unique ne pourrait certainement pas être l’ARN, selon les études de son équipe. La principale objection à la molécule concerne la catalyse : Certaines recherches ont montré que pour que la vie s’installe, le mystérieux polymère aurait dû coordonner les taux de réactions chimiques dont la vitesse pouvait différer jusqu’à 20 ordres de grandeur. Même si l’ARN pouvait y parvenir dans le monde prébiotique, ses capacités de catalyseur auraient été adaptées aux températures extrêmes – environ 100 degrés Celsius – qui régnaient sur la Terre primitive. Selon Carter, dès que la planète a commencé à se refroidir, l’ARN n’aurait pas pu évoluer et poursuivre son travail de synchronisation. Très vite, la symphonie des réactions chimiques serait tombée en désordre.
Peut-être le plus important, un monde uniquement composé d’ARN ne pourrait pas expliquer l’émergence du code génétique, que presque tous les organismes vivants utilisent aujourd’hui pour traduire l’information génétique en protéines. Le code prend chacune des 64 séquences ARN à trois nucléotides possibles et les fait correspondre à l’un des 20 acides aminés utilisés pour construire les protéines. Selon Peter Wills, co-auteur de l’article de Carter à l’université d’Auckland en Nouvelle-Zélande, il faudrait beaucoup trop de temps pour trouver un ensemble de règles suffisamment robustes pour y parvenir avec l’ARN seul, si tant est que le monde de l’ARN puisse en arriver là, ce qu’il juge hautement improbable. Selon Wills, l’ARN aurait pu être capable de catalyser sa propre formation, ce qui le rendrait « chimiquement réflexif », mais il lui manquait ce qu’il appelle la « réflexivité informatique ».
« Un système qui utilise l’information de la manière dont les organismes utilisent l’information génétique – pour synthétiser leurs propres composants – doit contenir de l’information réflexive », a déclaré Wills. Il a défini l’information réflexive comme une information qui, « lorsqu’elle est décodée par le système, fabrique les composants qui effectuent exactement ce décodage particulier. » L’ARN de l’hypothèse du monde ARN, a-t-il ajouté, n’est que de la chimie car il n’a aucun moyen de contrôler sa chimie. « Le monde ARN ne vous dit rien sur la génétique », a-t-il dit.
La nature devait trouver une autre voie, un meilleur raccourci vers le code génétique. Carter et Wills pensent avoir découvert ce raccourci. Il dépend d’une boucle de rétroaction étroite – qui ne se serait pas développée à partir de l’ARN seul mais plutôt à partir d’un complexe peptide-ARN.
Mettre les peptides dans le mélange
Carter a trouvé des indices de ce complexe au milieu des années 1970, quand il a appris à l’école supérieure que certaines structures observées dans la plupart des protéines sont « droites ». C’est-à-dire que les atomes dans les structures pourraient avoir deux arrangements équivalents en miroir, mais les structures n’en utilisent qu’un seul. La plupart des acides nucléiques et des sucres qui composent l’ADN et l’ARN sont également droitiers. Carter commence à considérer l’ARN et les polypeptides comme des structures complémentaires, et il modélise un complexe dans lequel « ils sont faits l’un pour l’autre, comme une main dans un gant »
Cela implique une sorte de codage élémentaire, une base pour l’échange d’informations entre l’ARN et le polypeptide. Il était sur le point d’esquisser ce à quoi cela aurait pu ressembler, en travaillant à rebours à partir du code génétique moderne, beaucoup plus sophistiqué. Lorsque le monde de l’ARN, inventé en 1986, a pris de l’importance, Carter a admis : « J’étais assez contrarié ». Il avait le sentiment que son monde peptide-ARN, proposé dix ans plus tôt, avait été totalement ignoré.
Depuis, lui, Wills et d’autres ont collaboré à une théorie qui renvoie à cette recherche. Leur objectif principal était de comprendre le code génétique très simple qui a précédé le code plus spécifique et compliqué d’aujourd’hui. Ils se sont donc tournés non seulement vers l’informatique mais aussi vers la génétique.
Au centre de leur théorie se trouvent 20 molécules de « chargement » appelées aminoacyl-ARNt synthétases. Ces enzymes catalytiques permettent à l’ARN de se lier à des acides aminés spécifiques en respectant les règles du code génétique. « En un sens, le code génétique est « écrit » dans la spécificité des sites actifs » de ces enzymes, a déclaré Jannie Hofmeyr, biochimiste à l’Université Stellenbosch en Afrique du Sud, qui n’a pas participé à l’étude.