Une nouvelle étude dirigée par des chercheurs du Earth-Life Science Institute (ELSI) de l'Institut des sciences Tokyo a révélé un rôle surprenant pour le calcium dans la formation des premières structures moléculaires de la vie. Leurs résultats suggèrent que les ions calcium peuvent influencer sélectivement la façon dont les polymères primitifs se forment, mettant en lumière un mystère de longue date: comment les molécules de la vie en sont venues à préférer une seule « manche » (chiralité).
Comme nos mains gauche et droite, de nombreuses molécules existent sous deux formes d'image miroir. Pourtant, la vie sur Terre a une préférence frappante: les sucres de l'ADN sont droitiers, tandis que les protéines sont construites à partir d'acides aminés gauchers. Ce phénomène, appelé homochiralité, est essentiel à la vie car nous le savons, mais comment il a émergé pour la première fois un puzzle majeur dans la recherche de vie.
L'équipe a étudié l'acide tartrique (TA), une molécule simple avec deux centres chiraux, pour explorer la façon dont l'environnement de la Terre précoce aurait pu influencer la formation de polymères homochiraux. Ils ont découvert que le calcium modifie considérablement la façon dont les molécules TA se connectent ensemble. Sans calcium, le TA pur gauche ou droitier se polymérise facilement en polyesters, mais les mélanges contenant des quantités égales des deux formes ne parviennent pas à former facilement des polymères. Cependant, en présence de calcium, ce modèle inverse le calcium ralentit la polymérisation de l'AT pur tout en permettant des solutions mixtes à la polymérisation.
« Cela suggère que la disponibilité du calcium aurait pu créer des environnements sur la Terre précoce où les polymères homochiraux étaient favorisés ou défavorisés », explique Chen Chen, chercheur postdoctoral spécial au Riken Center for Sustain Resource Science (CSRS), qui a co-dirigé l'étude. Les chercheurs proposent que le calcium entraîne cet effet à travers deux mécanismes: d'abord, en liant avec l'AT pour former des cristaux de tartrate de calcium, qui éliminent sélectivement des quantités égales de molécules à gauche et à droite de la solution; et deuxièmement, en modifiant la chimie de polymérisation des molécules TA restantes. Ce processus aurait pu amplifier de petits déséquilibres dans la chiralité, ce qui a finalement conduit à la maintenance uniforme observée dans les biomolécules modernes.
Ce qui rend cette étude particulièrement intrigante, c'est sa suggestion que les polymères polyesters-simples formés à partir de molécules comme l'acide tartrique auraient pu être parmi les premières molécules homochirales de la vie, même avant l'ARN, l'ADN ou les protéines. « L'origine de la vie est souvent discutée en termes de biomolécules comme les acides nucléiques et les acides aminés », explique le professeur agrégé spécialement nommé d'ELSI, Tony Z. Jia, qui a co-dirigé l'étude. « Cependant, notre travail présente une perspective alternative: que les« non-biomolécules »comme les polyesters ont peut-être joué un rôle essentiel dans les premières étapes vers la vie. »
Les résultats mettent également en évidence comment différents environnements sur la Terre précoce auraient pu influencer les types de polymères formés. Les paramètres pauvres en calcium, tels que certains lacs ou étangs, peuvent avoir favorisé les polymères homochiraux, tandis que les environnements riches en calcium pourraient avoir favorisé les polymères de chiralité mixte.
Au-delà de la chimie, cette recherche relève plusieurs champs scientifiques-biophysiques, la géologie et la science des matériaux pour explorer comment les molécules simples interagissaient dans des environnements prébiotiques dynamiques. L'étude est également le résultat d'années de collaboration interdisciplinaire, réunissant des chercheurs de sept pays à travers l'Asie, l'Europe, l'Australie et l'Amérique du Nord.
Nous avons été confrontés à des défis importants dans l'intégration de toutes les analyses chimiques, biophysiques et physiques complexes de manière claire et logique. Mais grâce au travail acharné et au dévouement de notre équipe, nous avons découvert une nouvelle pièce convaincante des origines de la vie. «
Ruiqin yi, co-leader du projet de l'Institut de géochimie de Guangzhou, Académie chinoise des sciences
Cette recherche approfondit non seulement notre compréhension des débuts de la vie sur Terre, mais suggère également que des processus similaires pourraient être en jeu sur d'autres planètes, aidant les scientifiques à rechercher la vie au-delà de notre monde.
