Les chercheurs de LMU ont démontré un mécanisme possible pour les processus métaboliques sans membranes cellulaires dans les pores remplis d'eau.
En regardant la vie aujourd'hui, il est difficile d'imaginer comment des processus et des structures biologiques complexes auraient pu se développer à partir de blocs de construction simples. Tous les processus et réactions cellulaires semblent être étroitement interdépendants et se produisent nécessairement dans une membrane cellulaire. Il n'y a pas d'organisme connu qui s'écarte de ce modèle. Mais comment cela est-il arrivé?
Comment une membrane cellulaire se forme-t-elle sans métabolisme? Ou inversement, comment le métabolisme survient-il sans membrane cellulaire? Ce problème classique de poulet et d'œuf est résolu dans une étude récente publiée dans Physique de la nature Par des chercheurs de l'équipe du professeur de LMU Dieter Braun.
Cellules sans membrane
Dans leur article, les chercheurs montrent qu'un simple flux de chaleur à travers les pores minces et remplis d'eau peut accumuler une grande variété de molécules avec différentes propriétés chimiques et physiques, et permettre à ces molécules d'interagir et de former des réactions dans un espace confiné, même en l'absence d'une membrane cellulaire. Dans ce protocell très simple, il existe un gradient thermique qui prend le contrôle des fonctions d'une membrane cellulaire, mais pas encore une frontière physique entre la réaction et l'eau diluée.
Nos enquêtes montrent que ce mécanisme physique simple, qui aurait été très courant sur la Terre précoce, peut remplir de nombreuses fonctions qui nécessiteraient normalement une membrane cellulaire. «
Dieter Braun, chercheur principal de l'étude
Les résultats suggèrent que les pores de roche chauffés auraient pu être le cadre naturel dans lequel les cellules biologiques ont émergé.
Origine de vie simulée en laboratoire
Lorsqu'un gradient de température est appliqué à travers un pore mince et rempli d'eau, la plupart des molécules diluées s'accumulent au fond de Thpore, vers le côté froid. L'équipe a simulé cet environnement en laboratoire à l'aide de chambres sur mesure composées d'une mince feuille d'eau, prise en sandwich entre des plaques optiquement transparentes.
Pour l'expérience, les chercheurs ont testé les circonstances dans lesquelles une protéine fluorescente verte dite superfolder (SFGFP) est produite. Le mélange dans les chambres contenait plus de 100 composants différents, allant des acides aminés et des nucléotides – les éléments constitutifs des protéines et de l'ARN – aux ribosomes et polymérases – machines moléculaires hautement spécialisées présentes dans tous les organismes vivants.
« Lorsqu'il est trop dilué, la réaction devient inactive et ne peut pas produire la protéine marqueur », explique Braun. Lors de l'incubation dans une «chambre thermique», cependant, les composants s'accumulent à un niveau suffisant pour permettre à la réaction de commencer et de synthétiser le SFGFP.
Nouvelles possibilités de biotechnologie
« Bien que la conception expérimentale soit actuellement limitée par les paramètres physiques de la chambre, ainsi que par la différence de température qui peut être obtenue, cela n'aurait pas été un problème sur la Terre précoce, où la présence omniprésente de pores remplies d'eau de toutes formes et tailles aurait fourni une grande variété en termes de récipients de réaction prébiotique », explique Alexander Floroni, principal de la document.
Les résultats fournissent de nouvelles informations sur la possibilité de métabolisme avant l'encapsulation dans les membranes et l'émergence de la vie cellulaire. De plus, ils offrent de nouvelles approches de la biotechnologie pour la création d'entités vivantes synthétiques en laboratoire. « Avant maintenant, la création d'une cellule synthétique qui se nourrit de la membrane et met en œuvre la division cellulaire pour la croissance était un obstacle majeur », explique Braun. « Nos recherches montrent comment nous pourrions contourner cet obstacle à l'avenir. »
