Nick Lane. Nouvelles précisions concernant les origines des cellules vivantes

Jean-Paul Baquiast 15/08/2014

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Le 12 mars 2010, nous avions consacré un très long article à la présentation de l'ouvrage remarquable du biochimiste et biologiste Nick Lane, « Life ascending. The Ten Great Inventions of Evolution » Nous conseillons vivement à nos lecteurs de se reporter à cet article, sinon du livre lui-même.

Celui-ci présente les 10 grandes inventions qui selon l'auteur, ont permis aux organismes vivants, lors d'une évolution de plus de 4 milliards d'années, commençant aux ensembles moléculaires prébiotiques d'atteindre la complexité des écosystèmes d'aujourd'hui, parmi lesquels se trouvent les sociétés humaines et les hommes dotés d'un cerveau de 100 milliards de neurones. Cette évolution vers un accroissement continu de complexité a résulté, non de l'accomplissement d'un dessein préétabli mais, explique Nick Lane, du simple jeu du hasard et de la nécessité, pour reprendre les termes de Jacques Monod.

A l'origine de ces inventions, sans laquelle rien ne se serait produit, fut la synthèse des premiers composés biologiques à partir de matériaux purement géologiques ou géothermiques. Le livre détaille les hypothèses et les expériences qui lui permettent de situer ces évènements majeurs au coeur des océans primitifs, à l'occasion d'éruptions magmatiques sous-marines réagissant avec l'eau de mer. Une telle explication, généralement admise aujourd'hui, rend obsolète l'hypothèse de Darwin selon laquelle les premiers composants organiques se seraient formés dans de petites mares d'eau chauffées par le soleil et riches en matières minérales. Darwin n'avait évidemment pas pu, compte tenu des connaissances scientifiques de son époque, apporter de preuves biochimiques à son hypothèse.

Or dans un article du 12 août 2014 publié par PLOS Biology, A Bioenergetic Basis for Membrane Divergence in Archaea and Bacteria , Nick Lane,Víctor Sojo et Andrew Pomiankowski, poursuivant leurs recherches sur les origines de la vie, sont conduits à préciser les conditions selon lesquelles les premiers ensembles moléculaires prébiotiques se sont assemblées pour donner naissance à un organisme dit LUCA (Last Universal Common Ancestor) ou dernier ancêtre universel commun . On parle de dernier et non de premier ancêtre commun, car après lui ses descendants ont divergés, à la suite de mutations différentes, en espèces elles-mêmes différentes dont sont issues les premières bactéries et les premiers archeae, les seules formes de vie monocellulaire ayant jamais été produites sur Terre, ou tout au moins ayant survécu aux premières synthèses biochimiques qui ne s'étaient pas révélées viables 1)

Lane, comme l'indique son livre précité, avait fait la supposition que la vie a émergé autour des évents géothermiques alcalins résultant de l'activité volcanique sous marine. Ces évents se distinguent d'une autre catégorie d'évents, plus connus, dits fumeurs noirs, qui produisent des flux acides, propices à la vie de bactéries primitives, dites bactéries sulfureuses. Celles-ci ne peuvent survivre dans un milieu salin. Elles sont liées aux fumeurs volcaniques noirs, dont elles ne peuvent s'éloigner.

Les fumeurs alcalins, au contraire, se caractérisent par l'émission de flux alcalins (ou basiques) à des températures se situant entre 40° et 90°. Au contact de l'eau de mer, les minéraux alcalins précipitent et forment graduellement des cheminées de 50 à 60 mètres, comportant des fissures et des pores. Selon Lane et ses collègues Russell et Martin, les premiers éléments de la vie s'y sont formés spontanément. Les pores existant au sein des fumeurs étaient riches en fer et sulfures lesquels peuvent catalyser des réactions organiques complexes. De plus, les gradients de température régnant au sein des pores ont permis la formation de fortes concentrations de ces composés organiques, favorisant à leur tour la constitution de grosses molécules, telles que des lipides et de l'ARN.

Les lipides ont la propriété de pouvoir d'organiser en forme de membranes. Par ailleurs, l'ARN évoqué ici n'est pas l'ARN biologique tel que celui se trouvant aujourd'hui dans les cellules vivantes. Il s'agissait seulement de molécules chimiques ayant la structure d'un nucléotide tel que l'acide nucléique, lequel s'est, par la suite seulement, révélé propice à la fabrication par les premières cellules biologiques de molécules nécessaires à leur constitution puis à leur reproduction.

Quant à l'énergie nécessaire à toutes les transformations moléculaires, elle existait potentiellement en abondance à la frontière entre l'eau de mer acide et les effluents volcaniques alcalins, du fait de la différence en concentration de protons (gradient) propre à ces deux milieux. L'énergie provient de la transformation des ions sodium du fumeur en protons acides de l'eau de mer. Les échanges se font continuellement à la frontière entre ces deux milieux. Mais il n'existe aucune « turbine », pour reprendre le terme de Nick Lane, permettant de la capter avant qu'elle ne se disperse.

On voit donc que les éléments nécessaires à la fabrication des premières molécules prébiotiques puis des premières cellules biologiques existaient dans le milieu terrestre. Il fallait cependant qu'apparaisse un processus capable de les assembler.

Le rôle de membranes semi-perméables

La formation d'une première cellule biologique sur les parois des fumeurs alcalins a été initialisée par la constitution spontanée de membranes lipides fermées séparant un milieu cellulaire du reste de l'environnement. Selon un premier article de Dick Lane en date du 21 décembre 2012 , publié par le revue Cell The Origin of Membrane Bioenergetics repris et développés par l'article de PLOSbiology précité, la différence de concentration de protons entre milieux marins et milieux magmatiques permettait à des protocellules de fabriquer des composés carbonés et de l'énergie, mais seulement si ces cellules étaient dotées de membranes isolant leur milieu interne de leur milieu externe, sans pourtant être imperméables aux échanges de protons.

Les vésicules d'acides gras formées spontanément sur les parois des fumeurs, comme indiqué plus haut, avaient l'imperméabilité suffisante pour conserver dans le milieu interne une concentration suffisante de protons, sans pour autant être entièrement imperméables. Pour expliquer cet apparent paradoxe, Nick Lane fait l'hypothèse que ces membranes se sont trouvées dotées par l'évolution d'une porte tournante ou « turbine protéinique » pouvant pomper vers l'extérieur les ions sodium intérieurs du milieu cellulaire, tout en laissant entrer les protons extérieurs. Les auteurs ont nommé cette turbine SPAP ou « sodium-proton antiporter  » .3 )

La molécule SPAP a été le premier pas vers les membranes cellulaires modernes. Elle a permis aux précellules en étant dotées de se séparer de la paroi du fumeur alcalin et de se répandre dans le milieu marin tout en disposant d'un moteur énergétique suffisant pour une vie indépendante. La pompe à proton ainsi mise au point s'est ensuite perfectionnée, permettant l'apparition de membranes de plus en plus imperméables, indispensables à la conservation au sein de la cellule des métabolites indispensables à la vie qu'elles fabriquent.

LUCA et sa descendance

Ce serait ainsi que ce serait formé LUCA. LUCA fut la première cellule biologique capable, grâce à la molécule SPAP, de pomper de l'énergie pour fabriquer les protéines nécessaires à sa structure lui permettant de se reproduire en utilisant l'ARN présente dans le milieu. Si l'on considère que LUCA fut le précurseur des cellules biologiques actuelles, on admettra que la plupart des protéines indispensables à la vie de la cellule moderne proviennent de celles composant LUCA. De plus, pour fabriquer ces protéines, LUCA devait disposer d'une molécule riche en énergie, l'ATP ( Adénosine triphosphate) qui constitue dans toutes les cellules d'aujourd'hui le moteur en énergie universel nécessaire à alimenter la synthèse des protéines 4).

Aujourd'hui, les cellules fabriquent leur ATP en utilisant l'énergie solaire ou celle qu'elles trouvent dans leur nourriture. LUCA a donc du se doter d'une mécanisme générant de l'ATP. Ce processus a été rendu possible par la molécule SPAP. Cette pompe, comme nous venons de le voir, extrait les ions hydrogène ou protons se trouvant dans la cellule pour les rejeter à l'extérieur. Ceci crée un différentiel dans la concentration de protons de part et d'autre de la membrane cellulaire. Mais les protons, comme ce différentiel ne peut être que passager, rentrent dans la cellule, à travers une autre protéine incluse dans la membrane. Cette protéine utilise l'énergie ainsi obtenue pour fabriquer de l'ATP.

Pour procéder de la sorte, la cellule doit disposer d'une membrane qui soit imperméable aux protons. C'est le cas aujourd'hui, mais qu'en était-il concernant LUCA ? Il se trouve que les deux grandes catégories de cellules descendant de LUCA, les bactéries et les archeae, sont dotées de membranes à la perméabilité. différente. Cette différenciation s'est faire une fois et ne s'est pas reproduite ensuite, sans doute du fait des gains de compétitivité acquis par ces formes de lignées biologiques monocellulaires, ayant éliminé toutes autres formes apparues ensuite.

Il reste à prouver la pertinence des modèles proposés par Dick Lane et ses collègues. Lane en est bien conscient. Son équipe s'attaque actuellement à la réalisation d'un réacteur à haute pression simulant les conditions propres aux évents géothermiques alcalins océaniques profonds tels qu'ils existaient il y a quatre milliards d'années. Si ces recherches étaient financées, elles permettraient de résoudre bien des points encore obscurs des hypothèses relatives à l'apparition de la vie. Elles permettraient aussi d'élargir les hypothèses relatives à l'apparition d'éventuelles vies planétaires.