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Retracer les étapes de l’apparition de la vie

Comment la vie a‑t‑elle émergé sur la planète Terre? Un projet financé par le CER apporte un nouveau soutien à la théorie selon laquelle la chimie auto‑organisée pourrait avoir été déterminante, donnant lieu à des processus ayant ensuite évolué vers le métabolisme biologique tel que nous le connaissons aujourd’hui. Reproduire ces réactions en laboratoire pourrait constituer un premier pas vers des processus chimiques plus écologiques.

Recherche fondamentale

Nous savons que le métabolisme est un processus indispensable à la vie, mais comment est‑il apparu et quel rôle a‑t‑il joué dans l’apparition de la vie sur Terre? Le projet CARBONFIX (Towards a Self-Amplifying Carbon-Fixing Anabolic Cycle), financé par le Conseil européen de la recherche, a apporté un nouvel éclairage sur cette question en examinant comment des molécules simples peuvent s’auto‑organiser pour déclencher des réactions chimiques similaires à celles qui se produisent au cours du métabolisme biologique. Le métabolisme des organismes nécessite des enzymes comme catalyseurs, et ces enzymes ne peuvent être produites que dans des cellules vivantes. Les chercheurs de CARBONFIX ont identifié des mécanismes similaires à ceux impliqués dans le métabolisme, mais pouvant se produire sans la présence d’enzymes dans des conditions spécifiques. Ils ont examiné les processus métaboliques utilisés par la vie ancienne pour convertir le CO2 en composés organiques et ont recréé des analogues non biologiques de ces voies de fixation du CO2.

Imiter la nature

Les deux processus biologiques remontant à la vie ancienne que le projet a tenté de reproduire sont plus communément appelés voie de Wood-Ljungdahl et cycle de Krebs inverse. «Tous deux convertissent le CO2, les protons et les électrons en un petit ensemble de molécules composées uniquement de carbone, d’hydrogène et d’oxygène, qui se trouvent être les éléments constitutifs universels de la biochimie», explique Joseph Moran, professeur à l’Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires ISIS à Strasbourg, qui a reçu une subvention du CER pour diriger CARBONFIX. «Alors que de nombreux scientifiques pensent que ces deux voies, qui pourraient fonctionner ensemble, auraient pu jouer un rôle dans l’apparition de la vie, les preuves expérimentales étayant cette idée étaient jusqu’à présent peu nombreuses.» Pour imiter la voie de Wood‑Ljungdahl, les chercheurs ont placé du fer, du nickel ou du cobalt métalliques dans de l’eau chaude carbonatée. Cela a déclenché une réaction qui a converti le CO2 en formiate, acétate et pyruvate — les mêmes intermédiaires que dans la voie métabolique. Les travaux sur le cycle de Krebs inverse ont abouti à des conclusions similaires. Les chercheurs ont pu montrer que les ions métalliques et le fer métallique peuvent favoriser plus de la moitié des réactions qui composent le cycle en l’absence d’enzymes. D’autres recherches visent à réaliser le cycle complet. Ces résultats pourraient avoir des implications importantes pour l’apparition de la vie, car ils indiquent que ces voies biologiques pourraient être apparues avant l’existence des enzymes. «Dans ce modèle, une chimie complexe et auto‑organisée se produit de manière non enzymatique et est ensuite affinée par l’évolution pour donner naissance au métabolisme tel que nous le connaissons aujourd’hui», explique Joseph Moran. «Cela permettrait également de comprendre directement pourquoi le métabolisme fonctionne de la sorte — parce qu’il est apparu ainsi.»

Synthèse verte

En plus de nous fournir de nouveaux indices sur notre passé, le projet CARBONFIX pourrait avoir ouvert de nouvelles perspectives pour un avenir plus vert: la production d’un cycle de Krebs inverse complet pourrait constituer un moyen efficace d’éliminer le CO2 de l’atmosphère. En outre, les réactions identifiées pourraient représenter une première étape vers le développement de méthodes permettant de transformer le CO2 en produits chimiques utiles en identifiant des catalyseurs simples et bon marché. «L’acide acétique est l’un des principaux composants du vinaigre, tandis que l’acide pyruvique est utile pour la recherche biologique», ajoute Joseph Moran. Il prévient toutefois que des travaux supplémentaires sont nécessaires pour y parvenir: «Trouver un moyen de convertir les produits formés transitoirement en un seul composé utile pourrait à terme faire de cette approche une solution viable. Nous collaborons actuellement avec des spécialistes de la catalyse hétérogène pour explorer cette possibilité.»

Mots‑clés

CARBONFIX, apparition de la vie, métabolisme, chimie, enzymes, catalyseurs, voie de fixation du CO2, voie de Wood‑Ljungdahl, cycle de Krebs inverse, synthèse verte

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