À un moment donné au cours de l'évolution de la vie sur Terre, la matière inorganique est devenue organique, la matière non vivante est devenue vivante. Comment cela s'est produit est l'un des plus grands mystères de l'humanité. Aujourd'hui, les scientifiques s'efforcent de développer des cellules synthétiques qui imitent les cellules vivantes, dans l'espoir de découvrir des indices qui aideront à répondre à la question: comment a commencé la vie sur Terre?
Bien qu'il n'y ait pas de définition unique de la vie, trois éléments se reproduisent à travers la biologie:
- compartimentation – une barrière qui sépare l'intérieur d'une cellule de l'environnement;
- Métabolisme – Construire et décomposer des molécules pour remplir la fonction cellulaire; et
- Sélection – Un processus dans lequel certaines molécules sont privilégiées par rapport à d'autres.
Dans le passé, les chercheurs se sont concentrés sur la compartimentation, mais pas sur le métabolisme. Pourtant, ce cycle de construction et de rupture de molécules est un aspect essentiel de la façon dont les cellules vivantes réagissent aux stimuli environnementaux, se répliquent et évoluent.
Désormais, des chercheurs de l'Université de Californie San Diego ont conçu un système qui synthétise les membranes cellulaires et intègre l'activité métabolique. Leur travail apparaît dans Chimie de la nature et figure sur la couverture du numéro de juin 2025.
Les cellules qui n'ont pas de réseau métabolique sont coincées – elles ne sont pas en mesure de remodeler, de grandir ou de diviser. La vie aujourd'hui est très évoluée, mais nous voulons comprendre si le métabolisme peut se produire dans des systèmes chimiques très simples, avant que l'évolution de la biologie plus complexe ne se produise. «
Neal Devaraj, la chaise dotée de Murray Goodman en chimie et biochimie à UC San Diego et enquêteur principal sur le journal
Les lipides sont des composés gras qui jouent un rôle crucial dans de nombreuses fonctions cellulaires. Dans les cellules vivantes, les membranes lipidiques servent de barrières, séparant les cellules de l'environnement externe. Les membranes lipidiques sont dynamiques, capables de se remodeler en réponse aux exigences cellulaires.
En tant qu'étape cruciale dans la compréhension de l'évolution des cellules vivantes, le laboratoire de Devaraj a conçu un système où les lipides peuvent non seulement former des membranes, mais par le métabolisme, peut également les décomposer. Le système qu'ils ont créé était abiotique, ce qui signifie que seule des matières non vivantes ont été utilisées. Ceci est important pour aider à comprendre comment la vie a émergé sur la terre prébiotique, lorsque seule des matières non vivantes existaient.
« Nous essayons de répondre à la question fondamentale: quels sont les systèmes minimaux qui ont les propriétés de la vie? » a déclaré Alessandro Fracassi, érudit postdoctoral dans le laboratoire de Devaraj et premier auteur sur le journal.
Le cycle chimique qu'ils ont créé utilise un carburant chimique pour activer les acides gras. Les acides gras sont ensuite assortis de lysophospholipides, qui génèrent des phospholipides. Ces phospholipides forment spontanément des membranes, mais en l'absence de carburant, ils se décomposent et reviennent aux composants des acides gras et lysophospholipides. Le cycle recommence à nouveau.
Maintenant qu'ils ont montré qu'ils peuvent créer une membrane de cellules artificielles, ils veulent continuer à ajouter des couches de complexité jusqu'à ce qu'ils aient créé quelque chose qui a beaucoup plus de propriétés que nous associons à la «vie».
« Nous en savons beaucoup sur les cellules vivantes et ce dont elles sont faites », a déclaré Fracassi. « Mais si vous avez présenté tous les composants séparés, nous ne comprenons pas vraiment comment les assembler pour faire fonctionner la cellule comme elle le fait. Nous essayons de recréer une cellule primitive mais fonctionnelle, une couche à la fois. »
En plus de faire la lumière sur la façon dont la vie peut avoir commencé dans un environnement abiotique, le développement de cellules artificielles peut avoir un impact réel. L'administration de médicaments, la biopsie, l'assainissement environnementale, les capteurs biomimétiques sont toutes des possibilités au cours des prochaines décennies alors que nous continuons d'approfondir notre compréhension de la façon dont la vie sur terre est devenue.
« Nous ne verrons peut-être pas ce type de progrès pendant 10 ou 20 ans », a noté Devaraj. « Mais nous devons faire le travail aujourd'hui, car nous avons encore tellement à apprendre. »
Auteurs: Alessandro Fracassi, Andrés Seoane, Hong-Guen Lee, Alexander Harjung et Neal K. Devaraj (tous UC San Diego); et Roberto J. Brea (Universidade da Coruña (Espagne)).
Ce travail a été financé par la National Science Foundation (Che-2304664).
