Première partie de compte-rendu de deux jours intenses de symposium dans le prestigieux cadre de Rockefeller University.

8h35, 1er Mai 2008 : le symposium s’ouvre sur une présentation très matinale de Paul Nurse, prix Nobel de Médecine 2001 (en restant toute sa vie pré Nobel en UK) et président de l’Université.

1858-2008 : le premier article de Wallace et Darwin sur la théorie de l’évolution est sorti il y a 150 ans (le livre “l’origine des espèces” sera publié quant à lui en 1859). L’occasion de faire le point sur la vitalité de cette théorie, plus que jamais d’actualité : Nurse ne peut s’empêcher de rappeler la fameuse phrase de Dobzhansky, lui-même chercheur autrefois au Rockefeller :

Rien n’a de sens en biologie, si ce n’est à la lumière de l’évolution.

Et Nurse d’insister sur la nécessité des biologistes de se tenir au courant des dernières évolutions sur la théorie à la lumière de cette idée, voire de contribuer eux-mêmes davantage aux développements de la théorie.

La première session était consacrée à la vie primitive.

The RNA World

Le premier orateur de la session est Gerald Joyce. Joyce est un spécialiste de ce qu’on appelle le “RNA world”, le monde de l’ARN.
Petit rappel de biologie : la majorité des fonctions biologiques aujourd’hui sont effectuées par des protéines. Ces protéines sont issues de la traduction d’ARN, eux-même issus de la transcription des gènes contenus dans notre ADN. Mais les formes de vie primitive étaient sans aucun doute très différentes : en particulier, ni l’ADN, ni les protéines n’existaient. A cet époque, l’ARN jouait probablement tous les rôles. En effet, l’ARN est un polymère étonnant qui peut avoir à la fois les propriétés des protéines et de l’ADN. Comme les protéines, les ARN peuvent se replier et acquérir des fonctions catalytiques. Comme l’ADN, l’ARN peut être dupliqué et transmettre une information génétique. Il y a donc fort à parier que le premier être vivant avait une chimie à base d’ARN (voir plus bas un exemple d’un tel ARN fonctionnel fabriqué par Joyce).

Le RNA world a-t-il vraiment existé ? Rien n’est sûr, mais Joyce souligne bien que les ribosomes, les machines cellulaires de base pour produire des protéines, sont quasiment entièrement faits d’ARN, ce qui est une bonne indication sur leur origine.

Le problème majeur du “RNA world” est de découvrir si un simple brin d’ARN peut se dupliquer seul sans aide extérieur. Un tel brin d’ARN serait en effet serait capable de se reproduire advitam aeternam et constituerait donc un candidat idéal au titre de premier être vivant, comme le disait Crick :

” Possibly the first enzyme was an RNA molecule with RNA replicase properties”

Le but de Joyce est donc de fabriquer des molécules d’ARN pouvant catalyser la réplication d’ARN. Il utilise pour cela une approche type biologie synthétique, en utilisant comme outil … l’évolution darwinienne elle-même. Joyce essaie de fabriquer des enzymes faites d’ARN en les faisant évoluer dans le laboratoire à partir de brins d’ARN aléatoires. Cela ne marche pas trop mal : Joyce a ainsi réussi à fabriquer une enzyme en ARN capable de polymériser environ 1/10 de sa propre longueur. Il développe également des machines permettant de faire ce travail d’évolution sans intervention humaine (Darwinian evolution on a chip, Praegel & Joyce, 2008, Plos Biology, voir cet article du New Scientist).

Le gros avantage de cette approche est qu’on peut potentiellement étudier de façon très contrôlée l’évolution de ces ARN; on pourra voir par exemple si partant des mêmes conditions initiales, le système évolue de la même façon, réalisant l’expérience de pensée de S.J. Gould de “rembobinage” de la vie…

La dernière partie de la présentation semble plus anecdotique mais est à mon sens presque plus impressionnante. Joyce utilise toujours des enzymes biologiques pour faire sa sélection darwinienne. Mais Joyce a aussi conçu un système un peu complexe à base d’ARN pouvant se reproduire lui-même tout seul. L’idée est simple : supposons qu’il y ait quatre brins d’ARN, A,B,C et D. Les brins A et B, ensemble, servent de “modèle” pour une enzyme E, les brins C et D, ensemble, pour une enzyme E’. Le truc est que E catalyse la formation de E’ à partir de C et D, et E’ la formation de E à partir de A et B. Les deux systèmes s’autoactivent alors; si on commence avec un petit peu de E et E’ avec les 4 brins A,B,C,D, le système s’auto-entretient, sans intervention extérieure (en particulier sans cycle de température contrairement à la PCR). Joyce a montré expérimentalement qu’avec ce système on peut amplifier 10^20 fois l’enzyme E ! Un système capable de se reproduire tout seul à l’infini, n’est-ce pas la définition d’un être vivant ?

Site web : http://www.joycelab.com
Source de l’image : Darwinian evolution on a chip, Paegel & Joyce, Plos Biology,2008

Vésicules, polymérisation de nucléotides et première cellule

Le deuxième orateur du jour était Jack Szostak. Un ton calme, un faux air d’Axel Kahn … et un sacré scientifique. Szostak essaie de comprendre comment la physique a pu contraindre l’évolution des premièrs êtres vivants. Le moins qu’on puisse dire, c’est que les résultats sont impressionnants !

Szostak part de la constatation suivante : si on croit au RNA world, il y a un léger problème. En effet, le premier ARN répliquant d’autres ARN n’avait aucune raison de se répliquer lui plutôt que les autres ARN présents. A moins qu’il ne soit séparé des autres ARN par une membrane. Szostak pense donc que des membranes (type membrane cellulaire) devaient exister dans la soupe primitive pour pouvoir abriter des ARN primitifs. Il étudie donc les interactions possibles entre proto-membranes cellulaires et acides nucléiques.

Comme modèle de membranes cellulaires, Szostak a fabriqué des vesicules à base d’acide gras. Ces vesicules ont la propriété d’être extrêmement stable en solution. Puis il essaie de réfléchir à la façon dont la première molécule d’ARN a pu se former. Il se trouve que c’est en fait beaucoup plus facile qu’on ne le croit : par exemple, il a été montré expérimentalement que des nucléotides peuvent spontanément s’assembler et former de l’ARN dans de simples cristaux de glace ! Mieux, certaines argiles (”montmorillonite”) peuvent avoir le même effet et polymériser spontanément de l’ARN à leur surface (voir cet article). La nature fait alors très bien les choses car l’argile en présence d’acide gras, c’est la même chose que de la poussière et du savon : le savon s’assemble autour de la poussière et forme des vésicules. Comme ces vésicules peuvent naturellement polymériser de l’ARN, roulez-jeunesse, nous avons notre première cellule !

Szostak examine ensuite plusieurs propriété physico-chimiques de ces vésicules. Point numéro 1 : il montre qu’un procédé physique appelé séparation de Clusius-Dickel, combinant convection et gradient de température (par exemple dans un océan primitif) permet naturellement de concentrer les acides gras et de catalyser la formation de ces vésicules. Point numéro 2 : il montre que si on ajoute des acides gras en solution et qu’on agite le tout, les vésicules peuvent se diviser spontanément. Voici notre première division cellulaire dans l’océan primitif ! Il montre également que certains nucléotides modifiés peuvent spontanément polymériser très vite en complément d’un brin d’ARN existant : dans ce cas, une enzyme spécifique telle que Joyce essaie de la fabriquer (voir plus haut) est inutile et on peut reproduire assez rapidement une information génétique. Point numéro 3 : une telle membrane d’acide gras a une perméabilité sélective. Il se trouve en particulier que ces membranes d’acide gras laissent passer préférentiellement un sucre. Devinez lequel : le ribose bien sûr, à la base de l’ARN (Acide Ribo Nucléique) ! Le choix dans l’évolution du ribose comme sucre de base ne serait dont qu’une conséquence de la propriété physique de micelles d’acides gras. Point 4 : Szostak combine les deux parties du point 2 et montre qu’un acide nucléique à l’intérieur d’une membrane peut se “reproduire” si on met des nucléotides dans la solution. Si on combine cela au point 1, on a une première division cellulaire primitive …

Conclusion : une présentation extraordinaire qui montre des scénarios plausibles et vérifiés dans le labo de formation de cellules hyper primitives “à partir de rien”, pouvant ensuite être soumises à l’évolution.

A voir : le site se Szostak pour plein de références et des animations de tous ces processus.

La dernière présentation de cette session eut lieu dans l’après-midi et fut l’oeuvre de Philip Sharp, qui est revenu sur l’apparition des régulations par l’ARN (comme pour les micro ARN). LA conférence était un peu plus technique, en résumé Sharp pense que ces premières régulations sont apparues à l’époque du RNA world et présente un scénario d’évolution de la vie à partir du RNA world en fonction de cette hypothèse.

La vie sur la terre primitive

La deuxième partie de cette première session était plus axée sur l’interaction entre biosphère et géologie. Roger Buick a une obsession : trouver les premières traces de la vie, afin de dater avec précision les événements majeurs sur l’arbre de la vie. Problème : comme il le dit de façon imagée, les roches de trois milliards d’années sont comme des personnes de 120 ans, elles sont rares et en général en mauvais état. En fait, il existe 4 types de traces de vie identifiables :
- d’abord les cadavres fossilisés (microfossiles)
- ensuite les stromatolites, qui sont aux bactéries ce que les ruines sont aux hommes, c’est-à-dire des traces directes de leur activité
- puis des biomarqueurs, des molécules ayant été fabriquées par les êtres vivants. L’exemple le plus connu est … le pétrole ! Autre example moins évident : le cholestérol. Selon Buick, si on vous enterre pendant 2 milliards d’années, on pourra sans problème retrouver votre taux de cholestérol en analysant vos “traces” d’ici là …
- enfin des traces isotopiques. “Life is lazy” : la vie utilise préférentiellement dans les réactions chimiques certains isotopes (par exemple car l’énergie pour casser ou fabriquer des liaisons chimiques est légèrement différente). Des déviations par rapport aux concentrations isotopiques “naturelles” sont des traces de vie.

Pour chacune de ces 4 traces, Buick a montré plusieurs exemples. Il était à la recherche de preuves non ambigues de vie pour chaque type de traces. En résumé :
- le plus vieux cadavre fossilisé non ambigu remonte à 2.6 milliards d’années. Il s’agit de cellules se divisant à l’intérieur de stromatolites. Le plus vieux microfossile ambigu remonte à 3.45 milliards d’années : il s’agit de structures cellulaires carbonnées, mais difficilement étudiables car cuites à 350 C dans la roche pendant tout ce temps.
- les plus vieux stromatolites non ambigus remontent à 2.7 milliards d’années, et contiennent des traces de filaments microbiens bien identifiables. Les plus vieux stromatolites ambigus remontent à 3.47 milliards d’années.
- le plus vieux biomarqueur non ambigu remonte à 2.45 milliards d’années. Il s’agit d’une nano goutte - nano barril- de pétrole dans un grain de quartz (voir photo ci-contre, tirée de Adriana Dutkiewicz et al., Nature 395,(1998)) ! L’analyse de cette goutte de pétrole montre en particulier que des cyanobactéries et des eucaryotes vivaient déjà à cette époque. Le plus vieux biomarqueur ambigu remonte quant à lui à 2.7 milliards d’années, et est également une goutte de pétrole. Il y a des possibilités de contamination, mais dans cette goutte on retrouve des marqueurs pour les trois grands domaines de la vie : bactéries, archaebactéries et eucaryotes.
- enfin, le plus vieux marqueur isotopique non ambigu a été découvert récemment par Buick et remonte à 3.52 milliards d’années. Buick a trouvé des traces de matières contenant plusieurs déviations isotopiques concordantes indiquant la présence de vie. La plus vielle trace non ambigue remonte à 3.8 milliards d’années, et consiste en des tubes de graphite dans des cristaux bourrés de carbone 13. Néanmoins, Buick suspecte une erreur de datation sur ces cristaux …

Enfin, Andrew Knoll dans la dernière conférence de cette matinée abordait l’évolution de l’océan dans les premiers âges de la vie. En gros, les océans étaient d’abord anoxiques (sans oxygène dissous), puis se sont remplis de souffre en profondeur et d’oxygène en surface, avant d’être majoritairement oxygénés. Lorsque les océans se sont oxygénés, il y a environ 580 millions d’années, la vie a explosé sous l’impulsion de ce changement d’environnement (la fameuse explosion cambrienne). La conclusion majeure de Knoll, c’est que les grands changements de l’environnement se traduisent immédiatement par des grands changements dans la biosphère; Knoll a terminé son talk par un graphique représentant l’évolution du pH des océans et de la concentration de CO2 ces derniers milliers d’années, qui ont respectivement plongé et explosé comme jamais en cent ans !

Prochain compte-rendu, dès que j’ai le temps : l’arbre de la vie reloaded - nous sommes tous des hybrides de bactéries !

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Billet publié le Saturday, May 3rd, 2008 à 8:13 am dans les catégories Evolution. Lien vers le flux de commentaires : RSS 2.0 . Vous pouvez laissez un commentaire, ou faire un rétrolien.