Pourquoi toutes les formes de vie utilisent-elles les mêmes 20 acides aminés ?

La façon dont les fragments de protéines formés sur la Terre prébiotique ont permis de comprendre pourquoi tous les organismes vivants utilisent le même ensemble de 20 acides aminés. Des chercheurs américains ont découvert que les acides aminés protéinogènes – ceux utilisés pour fabriquer des protéines naturelles – se lient plus facilement à de petites chaînes peptidiques appelées oligomères que ceux dont la structure est similaire, mais dont la vie ne se sert pas. Ces propriétés chimiques ont pu les rendre plus susceptibles d’être incorporées dans les protéines au cours de l’évolution des formes de vie les plus précoces.

Avant la vie sur Terre prébiotique, il y aurait eu un plus grand nombre d’acides aminés disponibles que les 20 qui ont finalement été sélectionnés par la biologie « , dit Luke Leman du Scripps Research Institute à La Jolla, qui a dirigé les travaux avec Loren Williams au Georgia Institute of Technology. Nous le savons grâce à des expériences simulant la Terre primitive et parce que des acides aminés non protéinogènes ont été trouvés dans les météorites, parfois en bien plus grande abondance que les acides aminés utilisés dans les protéines ».

Les scientifiques de l’origine de la vie sont depuis longtemps attirés par les questions intrigantes entourant l’évolution des protéines. Pourquoi la biologie utilise-t-elle 20 acides aminés – pourquoi pas 12 ou 40 ? Et pourquoi la nature a-t-elle choisi ces 20 acides aminés en particulier ? dit Leman. Nous avons découvert qu’il y a des facteurs purement chimiques, basés sur une réactivité de polymérisation plus élevée et moins de réactions secondaires, qui ont pu contribuer à ce processus de sélection.

Il explique que le groupe s’intéresse particulièrement aux trois acides aminés protéinogènes qui ont des chaînes latérales chargées positivement – la lysine, l’arginine et l’histidine – parce qu’ils sont impliqués dans un programme de recherche plus large étudiant la co-évolution entre les protéines précoces et les acides nucléiques précoces. Grâce à des travaux antérieurs, nous savions que les peptides et les depsipeptides pouvaient être générés en séchant simplement des mélanges d’acides aminés et d’hydroxyacides, tous deux produits dans des réactions de simulation prébiotiques et trouvés sur des météorites « , explique Leman. Nous avons décidé d’essayer un ensemble de plusieurs acides aminés chargés positivement dans[ces] réactions de polymérisation prébiotique.

Les chercheurs ont choisi les trois acides aminés protéinogéniques chargés positivement, ainsi que trois acides aminés chargés positivement de structure similaire qui auraient été abondants sur la Terre prébiotique mais qui ne se trouvent pas dans les protéines. Ils ont chauffé chaque acide aminé avec un hydroxyacideacide glycolique ou lactique – à 85°C pendant une semaine, avant d’analyser le résidu pour voir ce qui avait été produit.

Nous pensions qu’en général, tous ces acides aminés réagiraient de la même façon parce qu’ils ont une structure similaire « , explique M. Leman. Mais alors que presque toutes les expériences ont produit des oligomères, les trois acides aminés protéinogènes ont réagi plus efficacement et ont produit moins de produits secondaires que leurs homologues non protéinogènes. C’est une vraie surprise. Nous nous sommes dit : « C’est pour de vrai ? », dit Leman.

L’équipe a mis en place des réactions supplémentaires pour vérifier le résultat, chacune contenant deux types d’acides aminés – l’un protéinogène et l’autre non – qui pouvaient rivaliser dans la réaction. Ils ont constaté que, conformément à leurs résultats initiaux, les acides aminés protéinogènes surpassaient les acides aminés non protéinogènes.

Cela… souligne qu’il existe encore des facteurs chimiques et physiques cachés qui ont joué un rôle important dans la transition d’une soupe prébiotique à la vie « , explique M. Leman, ajoutant que le groupe étudie maintenant les interactions entre l’ARN et les oligomères chargés positivement qui ont été produits dans ces réactions.

Il s’agit d’un travail intéressant qui montre certaines des nuances de la chimie de polymérisation et comment elles ont pu affecter l’évolution des protéines « , commente Jim Cleaves, qui étudie la géochimie de l’origine de la vie au Tokyo Institute of Technology au Japon. Il ajoute qu’il y a plus à l’histoire de l’évolution des protéines, cependant, comme des travaux antérieurs l’ont suggéré, les acides aminés lysine et histidine ont été ajoutés ultérieurement à l’ensemble utilisé par les cellules primitives pour fabriquer des protéines. Cela dit, il y a beaucoup de choses que nous ignorons sur l’évolution biologique précoce, et ce très beau travail aide à combler certaines lacunes dans ce domaine de recherche hautement spéculatif « , dit-il.

References

M Frenkel-Pinter et alProc. Natl. Acad. Sci. USA, 2019, DOI: 10.1073/pnas.k1904849116

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