Le monde à ARN
Ribozyme d'autoépissage, l'intron est en vert, l'exon est en rose, une protéine en jaune est fixée sur l'intron. Seule une petite portion de l'exon est représentée.
Les ARN ont des propriétés catalytiques
Jusqu'au début des années 80 les choses étaient claires : l'ADN est le support de l'information génétique, il est recopié en ARN messager qui est traduit en protéines dans les ribosomes. Les protéines sont des catalyseurs, les ARN et ADN stockent l'information génétique. Les rôles sont bien partagés. Mais cet univers bien rangé allait être bouleversé par la découverte de Thomas Cech et Sydney Altman (prix Nobel de chimie en 1989). Les ARN messagers contiennent très souvent une portion qui n'est pas utilisée lors de la traduction et qui est éliminée peu de temps après la synthèse de l'ARN. Ce morceau inutilisé est appelé intron. Cech et Altman eurent la surprise de constater que cette élimination ne nécessite aucune enzyme. C'est l'intron lui même qui réalise la catalyse. Pour la première fois on montrait que les ARN avaient une fonction catalytique comme les protéines, on les appela ribozymes. Depuis les exemples d'implications des ARN dans le métabolisme se sont multipliés. Voici quelques exemples parmi les plus marquants :
- Dans le ribosome ce sont les ARN de transfert qui catalysent la formation de la liaison peptidique. Ils sont même capables de s’acquitter de cette tâche en dehors du ribosome et sans ARN messager par exemple lors de la synthèse du peptidoglycane constituant essentiel de la paroi des bactéries.
- L'une des étapes de la synthèse de la chlorophylle nécessite de l'acide glutamique (acide aminé). Celui-ci doit être fixé sur son ARN de transfert pour que la réaction ait lieu. La réaction suivante est catalysée par le pyridoxal phosphate un coenzyme très simple intervenant dans de nombreuses réactions.
Histidine, Adénosine et N6 ribosyl-adénine, le noyau imidazole est en bleu.
les ARN auraient précédé les protéines?
Pas sûr. Dans le métabolisme actuel les bases azotées sont fabriquées à partir d'acides aminés. Cependant, un acide aminé, l'histidine, est fabriqué à partir d'une base azotée. Cet acide aminé a d'importantes propriétés catalytiques intervenant dans le site actif des protéines. Il les doit à son noyau imidazole. Ce noyau existe dans la base azotée adénine mais il n'a pas d'activité catalytique car il est bloqué par le ribose. Si le ribose est fixé sur le noyau pyrimidique (N6 ribosyl-adénine) la molécule a une importante activité catalytique.
En fait, la notion même de première molécule n'a peut être pas de sens. Chacune aurait pu-être une face d'une même pièce. Dans le coenzyme A par exemple il est frappant de constater qu'un court peptide est fixé sur un nucléotide. A un moment de leur histoire les deux molécules ont associé leurs capacités catalytiques probablement grâce au phosphate qui fixait les molécules à un support argileux ou autre. Toutes deux utilisaient les acides aminés comme substrat. Cette association, sorte de symbiose avant l'heure, leur aurait permis de supplanter les autres catalyseurs primitifs.
Le nucléotide de 2009
Quoiqu'il en soit jusqu'à une époque récente on n'avait pas réussit à faire la synthèse d'un nucléotide dans des conditions prébiotiques. Sans cet élément essentiel on ne voyait pas comment une vie basée sur l'ARN avait pu exister. La situation a été débloquée en 2009 par John Sutherland et son équipe. Après des années d'essais infructueux ils ont réalisé la synthèse d'un nucléotide contenant de la pyrimidine et du ribose à partir de cyanamide, cyanoacetylène, glycol-aldéhyde, glycéraldéhyde et de phosphate inorganique c'est à dire des briques élémentaires de la soupe primitive. La synthèse se fait en deux semaines.
la polymérisation des nucléotides
On peut réaliser la polymérisation de nucléotides sur de la montmorillonite. Il se forme de courts ARN de 40 à 50 bases. Les poly AU forment spontanément des ARN en épingle à cheveux, l'un des motifs de base des ARN plus complexes. Certaines de ces épingles sont capables de lier des ARN entre eux et donc de créer des ARN de plus en plus longs. L'un de ces ARN a du acquérir par hasard la capacité de répliquer les autres ARN (Briones, 2009)
Le Ribozyme tC19Z réalisant la synthèse d'un brin d'ARN (Copyright © 2011 Landes Bioscience).
On ne connait pas de ribozyme capable de répliquer d'autres ribozymes. Par contre on sait fabriquer des ribozymes artificiels capables de le faire. Le ribozyme artificiel "tC19Z" catalyse la synthèse d'un autre ribozyme de 95 nucléotides (Wochner, 2011). La synthèse est lente (95 nucléotides en 24 heures contre 200 nucléotides par seconde chez les ARN polymérases protéiques actuelles) et comporte beaucoup d'erreurs (1 base azotée erronée sur 8,8 103 contre 1 sur 105 chez les ARN polymérases protéiques actuelles). Ce dernier défaut est en fait une qualité puisqu'il est générateur de nouveauté. Le ribozyme artificiel "tC19Z" n'est pas capable de faire sa propre synthèse car il contient 187 nucléotides. Nous ne sommes pas loin de la première molécule autocatalytique capable d'évoluer et donc de la première "molécule vivante" artificielle.
Un monde ARN très simple devait comporter au moins deux sortes de ribozymes. Les premiers étaient capables de fabriquer des nucléotides à partir des éléments les plus simples de la soupe primitive, les seconds fabriquaient des copies de tous les ARN qui passaient à leur portée y compris d'eux même. Les acides aminés restaient intimement liés aux ribosymes soit comme substrat soit comme constituant des sites actifs (Coenzyme A). Les vestiges de ce monde sont encore bien présents dans la nature actuelle. Les nucléotides constituent le support de l'information génétique mais sont aussi très intimement associés aux réactions du métabolisme : ATP, NAD, NADP, Coenzyme A. Les enzymes protéiques ont ensuite remplacé les ribozymes. L'explication est simple les enzymes protéiques sont plus rapides et efficaces que les ribozymes. Le phénomène est sans doute postérieur à l'encapsulation.