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Autocatalysis: A bottom-up approach to understanding the origins of life

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Des modèles cellulaires synthétiques aident les chercheurs à étudier les origines de la vie

Une recherche pionnière sur un processus biologique clé apporte un nouvel éclairage sur les origines de la vie et ouvre de nouvelles voies aux scientifiques pour l’étude des êtres vivants.

Recherche fondamentale

Le phénomène d’auto-reproduction a été largement étudié, non seulement parce qu’il pourrait expliquer l’apparition de la vie, mais aussi parce qu’il joue un rôle essentiel dans les processus biologiques quotidiens. Il permet de garantir l’auto-suffisance des systèmes biologiques. «La façon dont les systèmes chimiques conçus à partir de matériaux très simples peuvent devenir auto-catalytique et la complexité de la chimie issue de ces systèmes “simples” ne sont pas encore bien comprises», explique Stephen Fletcher, coordinateur du projet Autocat et professeur de chimie à l’Université d’Oxford au Royaume-Uni.

Des systèmes auto-réplicatifs

Pour aborder cette question, Stephen Fletcher a entrepris de développer des modèles simples de cellules qui s’auto-reproduisent, afin de sonder ce qui se passe au niveau où les molécules chimiques se retrouvent impliquées dans les systèmes. Il a pu faire la lumière sur le fonctionnement de ces processus en utilisant deux éléments constitutifs chimiques simples pour produire des structures plus complexes, qui ont à leur tour produit des structures primitives de type cellulaire. Ces modèles ont permis à Stephen Fletcher et à son équipe d’étudier les processus liés à la manière dont la vie a pu démarrer de nouvelles façons, la chimie devenant biologie il y a des milliards d’années. «Nous avons essentiellement procédé à un travail de détective», explique-t-il. «Nous avons mélangé différentes molécules, pour voir si nous pouvions développer ces systèmes complexes auto-réplicatifs.» La capacité de créer des systèmes auto-réplicatifs qui ressemblent globalement au fonctionnement des systèmes biologiques a constitué une avancée majeure. L’équipe a ensuite maintenu ces systèmes dans un état de consommation d’énergie, que les scientifiques appellent hors équilibre. «Nous avons pu créer des modèles de protocellules auto-reproductives beaucoup plus avancés que ce qui avait été observé auparavant», ajoute Stephen Fletcher.

Des modèles biologiques réalistes

Stephen Fletcher souligne qu’Autocat a évolué au fil du temps. Si le projet a permis de mieux comprendre l’auto-catalyse, le développement de systèmes synthétiques hors équilibre a quant à lui créé de nouvelles opportunités de recherche. «Nous pouvons désormais examiner ce qui se passe lorsque nous mettons ces systèmes en compétition entre eux, et qu’ils se disputent les ressources ou les éléments constitutifs», explique Stephen Fletcher. «Un produit prédomine-t-il, et existe-t-il un mécanisme de sélection? Si oui, pourquoi cela se produit-il?» En outre, cette recherche a amené Stephen Fletcher à mieux comprendre l’intérêt qu’il y a à développer des modèles biologiques qui reproduisent plus fidèlement la vie. «Les réactions auto-catalytiques sont un moyen vraiment rapide de construire quelque chose», remarque-t-il. «Elles ne font que créer, créer, créer.» «Mais la vie n’est pas réellement ainsi», ajoute-t-il. «Les gens naissent, vivent, puis meurent. Il en va de même pour nos cellules, elles ne se répliquent pas éternellement.» Le projet Autocat a propulsé Stephen Fletcher et son équipe à l’avant-garde du développement de modèles de reproduction fonctionnels qui reflètent plus fidèlement ce qui se passe en biologie. «Avant, nous essayions simplement d’imiter la réplication», explique-t-il. «Désormais, nous tentons d’exploiter la consommation d’énergie et d’imiter d’autres phénomènes biologiques plus complexes.» Stephen Fletcher fait remarquer qu’il existe désormais une véritable communauté de recherche se consacrant à l’étude des systèmes hors équilibre. «La beauté de la subvention du Conseil européen de la recherche est que très peu de ce que nous faisons maintenant était prévu dans notre candidature initiale», dit-il. «Mais nous avons pu faire avancer notre projet et rester à la pointe d’un domaine innovant. Nous n’y serions jamais parvenus sans la subvention du CER.»

Mots‑clés

Autocat, biologique, auto-catalytique, chimique, cellule, vie, molécules, énergie, reproduction

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