Une évolution générale de l’origine de la vie et de son évolution précoce, et des approches scientifiques qui abordent chaque étape. La phase de la biogéochimie, parfois appelée métabolisme des protéines ou évolution chimique, décrit la chimie abiotique dans un contexte géochimique qui a produit des composés organiques complexes et de grosses molécules prébiotiques. Le stade précoce du génome / protocellule simple représente une forme de vie précoce avec un système génétique simple, comme le suggère l’hypothèse du monde de l’ARN encapsulé dans des membranes qui se forment et se divisent spontanément. Le stade précoce de la vie cellulaire représente des organismes avec un niveau de complexité similaire à celui de LUCA. Alors que cette étape finale peut être étudiée par des méthodes dites descendantes, les étapes antérieures ne peuvent être atteintes que par des approches ascendantes anhistoriques. – PNAS
Malgré des décennies de progrès, l’origine de la vie reste l’un des plus grands problèmes non résolus de la science. dit Aaron Goldman, professeur adjoint de biologie à l’Oberlin College. « Comprendre comment ces systèmes biologiques de base se sont formés pour la première fois nous donnera non seulement un aperçu du fonctionnement de la vie à un niveau fondamental, mais également ce qu’est réellement la vie en premier lieu et comment nous pouvons la rechercher au-delà de la Terre. »
La question de savoir comment la vie est apparue pour la première fois est généralement étudiée par le biais d’expériences en laboratoire qui simulent les environnements de la Terre primitive et recherchent une chimie qui pourrait créer les mêmes types de biomolécules et de réactions métaboliques que nous voyons chez les êtres vivants aujourd’hui. Ceci est connu comme une approche « ascendante » car elle fonctionne avec des matériaux qui seraient autrement sur Terre pour les prébiotiques. Bien que ces soi-disant expériences de « chimie prébiotique » aient démontré avec succès comment la vie est apparue, elles ne peuvent pas nous dire comment la vie est réellement apparue. Pendant ce temps, d’autres recherches utilisent des techniques de biologie évolutive pour reconstruire à quoi auraient pu ressembler les premières formes de vie sur la base des données de la vie actuelle. C’est ce qu’on appelle l’approche « descendante » et qui peut nous renseigner sur l’histoire de la vie sur Terre. Cependant, la recherche descendante ne peut que regarder en arrière car il y avait des gènes encore conservés dans les organismes aujourd’hui, et donc pas jusqu’à l’origine de la vie. Malgré leurs limites, les recherches descendantes et ascendantes visent l’objectif commun de découvrir les origines de la vie, et idéalement leurs réponses devraient converger vers un ensemble commun de conditions.
Un nouvel article publié par Goldman, Lori Barge (chercheuse scientifique en astrobiologie au Jet Propulsion Laboratory de la NASA) et ses collègues tentent de combler ce fossé méthodologique. Les auteurs soutiennent que la combinaison de la recherche ascendante en laboratoire sur les chemins plausibles vers l’origine de la vie avec des reconstructions évolutives descendantes des premières formes de vie peut être utilisée pour découvrir comment la vie est réellement née sur la Terre primitive. Dans leur article, « Electron Transport Chains as a Window to the Early Stages of Evolution », les auteurs décrivent un phénomène central de la vie actuelle qui peut être étudié en combinant des recherches ascendantes et descendantes : les chaînes de transport d’électrons.
Les chaînes de transport d’électrons sont un type de système métabolique utilisé par les organismes à travers l’arbre de la vie, des bactéries aux humains, pour produire des formes utilisables d’énergie chimique. Les nombreux types de chaînes de transport d’électrons sont spécifiques à chaque forme de vie et au métabolisme énergétique qu’elles utilisent : par exemple, nos mitochondries contiennent une chaîne de transport d’électrons associée à un métabolisme énergétique hétérotrophe (alimentaire) ; Alors que les plantes ont une chaîne de transport d’électrons complètement différente associée à la photosynthèse (génération d’énergie à partir de la lumière solaire). Et dans le monde microbien, les organismes utilisent un large éventail de chaînes de transport d’électrons associées à une variété de processus métaboliques énergétiques différents. Mais, malgré ces différences, les auteurs décrivent des preuves issues de recherches descendantes que ce type de stratégie métabolique a été utilisé par des formes de vie très précoces et fournissent plusieurs modèles de chaînes de transport d’électrons ancestrales qui remontent à l’histoire évolutive très ancienne. . Ils ont également étudié les preuves actuelles et ascendantes selon lesquelles même avant l’émergence de la vie telle que nous la connaissons, la chimie de type chaîne de transport d’électrons aurait pu être facilitée par les minéraux et les eaux des océans de la Terre primitive. Inspirés par ces observations, les auteurs décrivent les stratégies de recherche futures qui combinent des recherches descendantes et ascendantes sur l’histoire la plus ancienne des chaînes de transport d’électrons afin de mieux comprendre le métabolisme énergétique ancien et l’origine de la vie plus largement.
Cette étude est l’aboutissement de cinq années de travaux antérieurs de cette équipe multidisciplinaire et interdisciplinaire dirigée par Barge au JPL, qui a été financée par le NASA-NSF Ideas Lab for the Origins of Life pour étudier comment les interactions métaboliques se sont produites dans les environnements géologiques au début de la Terre. . . Les travaux antérieurs de l’équipe ont examiné, par exemple, les interactions spécifiques de la chaîne de transport d’électrons entraînées par les métaux (dirigées par Jessica Weber, chercheuse au JPL); comment les anciennes enzymes incorporaient la chimie prébiotique dans leurs sites actifs (dirigé par goldman); et le métabolisme microbien dans des environnements très limités en énergie (dirigé par Doug LaRue, à l’USC). « L’émergence du métabolisme est une question multidisciplinaire et nous avons donc besoin d’une équipe multidisciplinaire pour l’étudier », déclare Barge. « Notre travail a utilisé des techniques de chimie, de géologie, de biologie et de modélisation informatique, pour combiner ces approches descendantes et ascendantes, et ce type de collaboration sera important pour les futures études sur les voies métaboliques prébiotiques. »
Empreintes de l’évolution précoce via différents types de conservation biochimique de l’énergie. Le flux d’électrons est représenté par des flèches bleues. La lignée potentielle de LUCA est reflétée soit par des preuves phylogénétiques directes, soit par le nombre d’études de différentes protéines LUCA (sur un total de huit études) qui prédisent qu’un composant du complexe descendra de LUCA (annexe SI) (38, 64 ). Les cofacteurs protéiques qui sont des résidus potentiels pour les catalyseurs métalliques prébiotiques (65) ou les inducteurs de ribozyme (66) sont mis en évidence en vert et violet, respectivement. L’homologie entre les différents composants ETC est indiquée par la ligne pointillée. Les protéines porteuses d’électrons qui sont des composants des complexes ETC tels que le cytochrome b ne sont pas représentées.
Les chaînes de transport d’électrons servent de fenêtre sur les premiers stades de l’évolutionPNAS (accès libre)
Astrobiologie
