Un mécanisme simple pourrait sous-tendre la croissance et l’auto-réplication des protocellules – ancêtres putatifs des cellules vivantes modernes – ; suggère une étude publiée le 3 septembre dans Journal biophysique. Les protocellules sont des vésicules délimitées par une bicouche membranaire et sont potentiellement similaires au premier ancêtre commun unicellulaire (FUCA). Sur la base de principes mathématiques relativement simples, le modèle proposé suggère que la principale force motrice de la croissance et de la reproduction des protocellules est la différence de température qui se produit entre l’intérieur et l’extérieur de la protocellule cylindrique en raison de l’activité chimique interne.
La motivation initiale de notre étude était d’identifier les principaux moteurs de la division cellulaire. Ceci est important car le cancer se caractérise par une division cellulaire incontrôlée. C’est aussi important pour comprendre l’origine de la vie. »
Romain Attal, auteur de l’étude, Universcience
La division d’une cellule pour former deux cellules filles nécessite la synchronisation de nombreux processus biochimiques et mécaniques impliquant des structures cytosquelettiques à l’intérieur de la cellule. Mais dans l’histoire de la vie, des structures aussi complexes sont un luxe de haute technologie et ont dû apparaître bien plus tard que la capacité de se diviser. Les protocellules devaient avoir utilisé un mécanisme de clivage simple pour assurer leur reproduction, avant l’apparition des gènes, des ARN, des enzymes, et de tous les organites complexes présents aujourd’hui, même dans les formes de vie autonome les plus rudimentaires.
Dans la nouvelle étude, Attal a proposé un modèle basé sur l’idée que les premières formes de vie étaient de simples vésicules contenant un réseau particulier de réactions chimiques, un précurseur du métabolisme cellulaire moderne. L’hypothèse principale est que les molécules composant la bicouche membranaire sont synthétisées à l’intérieur de la protocellule par des réactions chimiques globalement exothermiques, ou libératrices d’énergie.
La lente augmentation de la température interne force les molécules les plus chaudes à passer du feuillet interne au feuillet externe de la bicouche. Ce mouvement asymétrique fait croître le feuillet externe plus rapidement que le feuillet interne. Cette croissance différentielle augmente la courbure moyenne et amplifie tout rétrécissement local de la protocellule jusqu’à ce qu’elle se divise en deux. La coupe se produit près de la zone la plus chaude, vers le milieu.
« Le scénario décrit peut être considéré comme l’ancêtre de la mitose », dit Attal. « N’ayant pas d’archives biologiques vieilles de 4 milliards d’années, nous ne savons pas exactement ce que contenait FUCA, mais il s’agissait probablement d’une vésicule délimitée par une bicouche lipidique encapsulant certaines réactions chimiques exothermiques. »
Bien que purement théorique, le modèle pourrait être testé expérimentalement. Par exemple, on pourrait utiliser des molécules fluorescentes pour mesurer les variations de température à l’intérieur des cellules eucaryotes, dans lesquelles les mitochondries sont la principale source de chaleur. Ces fluctuations pourraient être corrélées avec le début de la mitose et avec la forme du réseau mitochondrial.
S’il est confirmé par de futures enquêtes, le modèle aurait plusieurs implications importantes, dit Attal. « Un message important est que les forces motrices du développement de la vie sont fondamentalement simples », explique-t-il. « Une deuxième leçon est que les gradients de température sont importants dans les processus biochimiques et que les cellules peuvent fonctionner comme des machines thermiques. »
