Emergence de biopolymères de complexite contrôlée dans les scénarios d’origine de la vie

Apparition de la Vie sur Terre – Origine des petites biomolécules

   L’étude des origines de la Vie sur Terre s’intéresse aux conditions et processus qui ont permis l’émergence du vivant sur notre planète. Le fonctionnement actuel des organismes vivants implique la synthèse de nombreuses molécules biologiques plus ou moins complexes dont la machinerie cellulaire élaborée n’existait pas aux origines du vivant. Des scénarios de synthèse alternatifs, dits « prébiotiques » ont donc dû se produire pour former les premières molécules organiques. On appelle ainsi « molécule prébiotique » une molécule organique formée sans l’intervention d’êtres vivants. L’abiogénèse caractérise le passage de l’inerte au vivant. Les peptides dits abiogéniques ont donc été produits dans un environnement naturel plausible mais pas au sein d’organismes vivants. La question de l’Origine de la Vie suscite de nombreuses réflexions. L’univers est vieux de 13,7 milliards d’années et la Terre n’a « que » 4,5 milliards d’années. Les premières traces d’apparition de la vie, des cyanobactéries, sont datées d’il y a environ 3,5 milliards d’années. Si l’on peut identifier l’apparition de formes de vie anciennes, le mécanisme de cette apparition n’est pas encore clair. Il est très probable que la préexistence d’un monde minéral complexe soit une condition nécessaire pour l’émergence de biomolécules simples. A la fin du XIXème siècle, les premières théories supposent que la vie aurait été apportée par des météorites. Sans aller jusque-là, elles auraient pu apporter certains constituants chimiques nécessaires à la vie. Effectivement, l’analyse de météorites, et notamment celle de Murchison (tombée en Australie en 1969 et récoltée très peu de temps après sa chute, minimisant les possibilités de contamination), a montré qu’elles contenaient une grande variété d’acides aminés et de bases nucléiques). Le milieu interstellaire constitue donc un lieu possible pour la synthèse prébiotique de composés polyatomiques, avec pour source d’énergie le rayonnement cosmique, les irradiations UV et les décharges électriques. Cette synthèse primordiale aurait pu aussi se produire dans les océans ou au creux des sources hydrothermales. De nombreuses expériences ont été menées en laboratoire pour tenter de (re-)créer les entités constitutives du vivant à partir d’espèces chimiques compatibles avec les conditions d’une Terre primitive. La plus connue est l’expérience de Miller, qui a montré la formation d’acides aminés après avoir recréé en laboratoire les conditions régnant sur Terre à l’époque de l’apparition de la vie5 – du moins telles qu’on les concevait dans les années 1950. On pensait en effet que l’atmosphère primitive était essentiellement composée de CH4, NH3 et d’eau sous forme de vapeur. L’atmosphère primitive aurait ainsi été anoxique et nettement réductrice. Miller a donc soumis un mélange de H2, CH4, et NH3 à des décharges électriques mimant les éclairs et à un flux d’eau chauffée mimant la pluie et les océans. Il a alors obtenu un mélange de produits organiques qui a ensuite été baptisé « soupe primordiale ». Les gaz ont notamment formé du HCN et du formaldéhyde (H2CO). Ces molécules à liaisons multiples ont alors réagi avec l’eau pour former onze acides aminés (AAs) différents sur les vingt naturels (sans énantiosélectivité, c.a.d. avec autant de molécules énantomères L que D). En 2011, Parker reprend les échantillons de Miller avec des techniques analytiques plus sophistiquées et réussit à caractériser et quantifier vingt-trois acides aminés, dont certains ne sont pas utilisés par les organismes vivants sur Terre. Les acides aminés, dont la structure est montrée Figure I-1, sont parmi les molécules emblématiques du vivant. Ils constituent les unités monomériques des peptides/protéines. Également molécules emblématiques du vivant, les nucléotides sont les monomères des acides nucléiques (voir Figure I-1). Les nucléotides sont les briques élémentaires de l’ARN (acide ribonucléique) et de l’ADN (acide désoxyribonucléique). La différence entre l’ARN et l’ADN se situe au niveau de la substitution du sucre : l’ARN contient des résidus de ribose (OH) là où l’ADN contient du désoxyribose (H). L’atome d’oxygène supplémentaire sur chacun des nucléotides de l’ARN entraîne une plus grande flexibilité de l’ARN, permettant la formation d’hélices et le rendant chimiquement moins stable. Les acides α-hydroxylés (qui ont des structures proches de celles des acides aminés, voir Figure I-1). ont été produits lors de réactions prébiotiques5,7–10. Par ailleurs, en 1960, Oró11 a mis en évidence l’obtention de nucléobases à partir de cyanure d’ammonium. Sutherland12,13 a montré la formation de nucléotides, d’acides aminés et de glycérol en  soumettant un mélange d’espèces chimiques compatibles avec la Terre primitive à des rayons UV. Il existe donc un certain nombre d’hypothèses plausibles pour expliquer naturellement la formation des « briques de base » du vivant. Mais leur formation n’est qu’une première étape vers la complexité des structures vivantes. Des plus grandes entités ont dû ensuite être formées à partir de ces molécules élémentaires. En particulier, deux des constituants chimiques les plus typiques des organismes vivants sont des polymères de ces briques simples : les protéines sont de longs peptides, c’est-à-dire des polymères d’acides aminés, et les acides nucléiques (ARN, ADN) des polymères de nucléotides.

« Monde ARN » ou « monde des peptides » ?

   Pour expliquer l’organisation du vivant au-delà des molécules les plus simples, deux modèles principaux ont été proposés : le « monde ARN » et le « monde des peptides »14. Le système à l’origine de la Vie a dû être capable de maîtriser le métabolisme et de conserver l’information génétique ; or dans les cellules modernes ces fonctions sont associées à deux types de macromolécules, respectivement les protéines et l’ADN. Chacune dépendant de l’autre pour son fonctionnement, on se retrouve, pour expliquer leur origine, devant un problème typique du type « l’œuf ou la poule ? ». Dans les années 1980, Walter Gilbert (titulaire d’un prix Nobel pour sa contribution au séquençage de l’ADN) évoque l’hypothèse d’un « monde ARN » dans lequel l’acide ribonucléique serait le précurseur unique des macromolécules biologiques Il envisage un monde ne contenant que des molécules d’ARN qui catalysent la synthèse les unes des autres et se répliquent sans l’intervention d’autres molécules. Les molécules d’ARN auraient ensuite commencé à synthétiser des protéines en liant des acides aminés activés. Enfin, l’ADN serait apparu comme le dernier support de l’information, obtenu à une étape ultérieure par transcription inverse à partir des molécules d’ARN. Le principal problème de ce modèle est qu’il n’explique pas comment les molécules initiales d’ARN ont été formées. Cette question est d’autant plus complexe que, si on connaît des scénarios prébiotiques qui aboutissent aux bases nucléiques ou aux sucres (synthèse du formose)16, aucun ne permet encore d’unir une base nucléique, un sucre (le ribose) et un groupe phosphate en une seule molécule. Les protéines, autres molécules de base du vivant, sont quant à elles connues pour être de bons catalyseurs puisque la plupart des enzymes sont des protéines. Certains dipeptides peuvent déjà posséder des propriétés catalytiques intéressantes17. Les protéines résultent d’une condensation entre acides aminés, qui, nous l’avons vu, étaient disponibles sur la Terre prébiotique. En revanche, elles ne peuvent généralement pas se répliquer et conserver l’information génétique. Une collaboration entre les oligopeptides et les protéines est sans doute le scénario le plus probable. Brack suppose ainsi que le monde ARN apparaît comme un épisode biologique mais pas au tout début de la vie sur Terre.

Chiralité de la Vie

   La chiralité est un paramètre important pour les systèmes vivants. De nombreuses biomolécules possèdent des énantiomères D ou L. La vie a une sélectivité presque parfaite pour certaines espèces chirales, et notamment les sucres D et les acides aminés L. La genèse de l’homochiralité est le processus qui a mené à la préférence presque exclusive d’une forme énantiomérique dans le vivant. On peut considérer que ce processus a eu lieu en trois étapes : la perte de symétrie, l’enrichissement chiral et la transmission chirale. En ce qui concerne la première étape, de nombreux agents physiques pouvant induire l’apparition de la chiralité ont été proposés22. De Marcellus et al23 ont montré que la lumière UV circulairement polarisée pouvait induire la formation d’une molécule (l’acide aminé alanine) avec un excès énantiomérique à partir d’un mélange ne contenant pas de substances chirales. Il faut noter que l’intervention des surfaces minérales, au centre de cette thèse, a pu jouer un rôle également dans l’apparition de la chiralité : certaines surfaces, comme la calcite permettent la séparation chirale d’acides aminés. Ainsi, Hazen et al24 ont montré que certaines faces de la calcite avait une préférence pour l’adsorption de la forme L de l’acide aspartique L plutôt que de la forme D. L’effet inverse est observé pour d’autres faces. Ce phénomène suggère une concentration locale d’énantiomères L ou D entraînant une polymérisation homochirale. Certaines études montrent un scénario dans lequel l’amplification de l’homochiralité aurait pu évoluer lors de l’étape de polymérisation des petites biomolécules, comme proposé pour les acides nucléiques par Joyce et al26 et Goldanskii et al. L’histoire du vivant ne s’arrête pas là. La recherche sur l’origine du métabolisme, c’est-à-dire l’organisation « en réseau » des réactions chimiques et la maîtrise des flux énergétiques est par exemple un domaine très exploré mais le présent travail ne porte pas sur ces aspects

La question de la sélectivité de polymérisation

   Dans le cadre d’une étude sur les origines de la vie, la principale interrogation est de comprendre comment des biomolécules fonctionnelles ont pu être obtenues à partir de molécules simples. Or, l’obtention préférentielle de certaines séquences plutôt que d’autres est cruciale pour mener à une structuration des chaînes peptidiques et à l’apparition d’une fonction. Même si l’on peut admettre une certaine « tolérance à l’erreur », un degré important de sélectivité d’incorporation des acides aminés dans le polymère en croissance doit être invoqué. Cette notion de sélectivité est d’un grand intérêt, de même que celle de l’homochiralité, c’est-à-dire l’apparition d’une sélection pour la forme L des résidus d’acides aminés. Eu égard à l’importance de la question, étonnamment peu d’études ont été réalisées concernant la sélectivité de stœchiométrie lors de la polymérisation des peptides. Fox et Harada ont obtenu des oligopeptides de séquences non aléatoires en chauffant un mélange d’acides aminés Glu et Asp51,52. Leyton et al.53,54 ont observé des oligopeptides avec une séquence régulière Gly-Glu(-Gly-Glu)n, à partir d’un mélange de Gly et Glu et de nanoparticules d’oxyde métallique. A partir d’un mélange de Glu, Tyr et Gly activé à 180 °C pendant 24 h, Nakashima et al.55 ont montré, en comparant les quantités de peptides obtenus avec des calculs de polymérisation aléatoire, la formation préférentielle de tripeptides pyroGlu-Tyr-Gly et pyroGlu-Gly-Tyr. Hartmann et al.56 ont repris ces expériences et proposé un mécanisme expliquant cette sélectivité : lors du chauffage, la première réaction serait la cyclisation interne de Glu en pyroGlu, suivie de la formation d’un dipeptide cyclique entre les deux autres acide aminés (cyclo(Gly-Tyr)). Ensuite, l’acide pyroglutamique réagirait avec le dipeptide cyclique pour donner un tripeptide linéaire. Mosqueira et al.57 ont ensuite tenté d’expliquer par des modèles théoriques les résultats observés. Le modèle est appliqué à un mécanisme de polymérisation qui se fait via l’addition de dipeptides cycliques, les oligomères formés ont donc un nombre impair de résidus. Quelques études sur surface ont montré l’obtention préférentielle de certaines séquences peptidiques en partant de mélanges d’acides aminés. Bujdák et al.45 ont montré qu’à partir d’un mélange de Ala et Gly-Gly adsorbé sur montmorillonite, une séquence Ala-Gly-Gly est formée préférentiellement. Bujdák et Rode ont également prouvé la formation préférentielle des séquences d’acides aminés sur un support d’alumine non poreuse. Les dipeptides Gly-AA et Ala-AA sont formés préférentiellement quand l’AA est Leu ou Val tandis que Ala-Gly et Pro-Gly sont préférentiellement formés. Cette sélectivité est expliquée par un effet inductif que les groupes de la chaîne latérale exercent sur la nucléophilie du groupe amine et l’électrophilie du groupe carboxyl (Gly-Val serait préféré car le groupe isopropyl de Val a un fort effet inductif). Implicitement, ils postulent donc que les proportions de différentes séquences seraient imposées par leurs stabilités thermodynamiques respectives, et donc que la polymérisation serait à l’équilibre chimique. Cela n’est pas certain du tout : l’origine des sélectivités pourrait très bien être cinétique. Il existe donc des indications d’une possible sélectivité dans les scénarios de  polymérisation des acides aminés sur surfaces minérales, mais elles sont restées « anecdotiques » et les explications d’un tel phénomène restent assez hypothétiques.

Analyses par spectrométrie de masse et origines de la Vie

   La spectrométrie de masse à ultra haute résolution (HRMS) est un outil clé pour l’élucidation de compositions élémentaires d’échantillons complexes organiques. C’est une technique très utilisée en pétrolomique, pour l’analyse de matière organique naturelle et en protéomique. Elle est de plus en plus utilisée dans les études de chimie prébiotique, notamment dans les études de la matière organique contenue dans certaines météorites, les chondrites carbonées. Les mélanges extrêmement complexes qui résultent de l’extraction de ces météorites nécessitent l’utilisation d’appareils très sensibles et résolutifs. La météorite la plus connue est celle dite de Murchison, trouvée en Australie en 1961. Elle a été largement étudiée notamment par le groupe de Schmitt-Kopplin qui a utilisé la détection à ultra haute résolution avec une approche analytique non ciblée pour analyser la matière organique. Leurs analyses ont permis l’identification de plus de 150 000 pics, menant à plus de 14 000 compositions moléculaires identifiées. La météorite de Paris a également été analysée par FTICR 141. Les analyseurs Orbitrap peuvent être utilisés comme instruments pour les missions spatiales pour caractériser l’environnement des planètes in situ. L’usage de la HRMS n’est pas limité à l’analyse d’échantillons naturels, la technique pouvant être aussi appliquée aux synthèses prébiotiques en laboratoire. Par exemple, Wollrab et al ont reproduit les expériences de Miller et ont utilisé un instrument FTICR pour analyser le mélange résultant. Depuis quelques années la HRMS est également utilisée par l’équipe de Forsythe pour étudier la polymérisation de protopeptides. A partir de bibliothèques de données de depsipeptides, ils utilisent des approches basées sur les mesures de masses précises, notamment les traitements de Van Krevelen et Kendrick, pour visualiser la diversité chimique des composés produits. Ces traitements ont été également utilisés pour l’étude de nos systèmes (voir Chapitre V). Par ailleurs, les résultats de synthèse prébiotique sont souvent contestés parce que les rendements en composés cibles sont faibles et que l’utilisation de réactifs d’origine biologique peut causer de faux positifs. Il a été proposé que toute synthèse prébiotique ne soit considérée comme confirmée que si elle a été reproduite avec des réactifs marqués isotopiquement, tâche pour laquelle la spectrométrie de masse est évidemment la technologie de choix. Indépendamment de l’instrument utilisé, la spectrométrie de masse permet également d’étudier la réactivité en phase gazeuse. Dans le contexte de la chimie prébiotique, Wincel et al145 ont étudié la formation de liaisons peptidiques par réaction ion/molécule en phase gazeuse pour un système contenant de la méthionine et de l’acide glutamique. De surcroît, plusieurs travaux en spectrométrie de masse ont étudié la genèse de l’homochiralité via l’analyse des clusters moléculaires. Ces derniers, formés en solution ou en phase gazeuse par des liaisons non covalentes, sont des structures intermédiaires entre les cristaux et les molécules isolées, formées. Le terme « nombre magique » est utilisé pour désigner un cluster d’une taille définie qui lui confère une stabilité inhabituelle. La plupart des études liées aux clusters biomoléculaires se sont focalisées sur la sérine. Plusieurs études ont mis en évidence la capacité de la sérine à former des clusters de nombres magiques, avec de fortes préférences chirales146 147 148. La sérine peut aussi transmettre la chiralité vers d’autres acides aminés par substitution de certains acides aminés dans les octamères de sérine146 147 148 149. Par ailleurs, Illos et al150 ont démontré par MALDI-TOF-MS, à partir de composés énantiomères marqués au deutérium, la formation de peptides homochiraux comme diastéréoisomères dominants à partir de mélanges racémiques d’acides aminés amphiphiles en solution aqueuse, effet observé dès que les oligopeptides devenaient assez longs pour s’organiser en structures secondaires. Ces auteurs utilisaient la polymérisation en solution en présence de CDI (cf Chapitre I.I.2.1.1). Il s’agit d’un scénario différent de nos conditions ; il ne semble pas que la question de l’énantiosélectivité ait été étudiée dans le scénario de polymérisation sur surfaces minérales.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Etude bibliographique
I. Implication des acides aminés et des surfaces minérales aux origines de la Vie
I.1. Chimie prébiotique des acides aminés
I.2. Oligomérisation des acides aminés (et des nucléotides)
I.3. Etudes expérimentales de la formation de peptides sur surfaces minérales
II. Outils analytiques pour l’étude de la condensation peptidique
II.1. Analyses in situ des produits de polymérisation sur surface de silice
II.2. Méthodes séparatives pour l’analyse de mélanges des peptides
II.3. Analyse par spectrométrie de masse à ultra haute résolution
II.4. Analyse de peptides par la spectrométrie de masse en tandem
II.5. Analyses par spectrométrie de masse et origines de la Vie
III. Description des systèmes étudiés
III.1. Choix des acides aminés
III.2. Spécificités de l’acide glutamique
III.2.2. La question de la régiosélectivité de la condensation : α- et γ-peptides
Chapitre II. Matériels et méthodes
I. Préparation des échantillons
I.1. Dépôt sur surface minérale
I.2. Description de l’ensemble des échantillons testés
I.3. Protocole d’activation thermique
I.4. Etape d’extraction en solution
II. Techniques de caractérisation in-situ des systèmes AAs/SiO2
II.1. Analyse thermogravimétrique
II.2. Diffraction des rayons X
II.3. Spectroscopie infrarouge
III. Analyses ex situ de la solution de désorption
III.1. HPLC-UV
III.2. Spectromètre de masse à haute résolution FTICR
III.3. Spectromètre de masse TIMS-TOF
IV. Considérations théoriques sur la polymérisation des acides aminés
Chapitre III. Sélectivité de polymérisation dans un système binaire (L+E)/SiO2 
I. Etude préliminaire du système Leu + Glu
II. Sélectivité de composition des produits de polymérisation
II.1. Etude de la stœchiométrie des oligopeptides formés
II.2. Origine de la sélectivité de stœchiométrie
II.3. L’entropie de Shannon pour évaluer la sélectivité de polymérisation
III. Etude de la régiosélectivité de la polymérisation de (L+E)/SiO2
IV. Etude de l’énantiosélectivité de la polymérisation de (L+E)/SiO2
Chapitre IV. Etude du mécanisme de polymérisation : changement des conditions opératoires
I. Etude cinétique de la polymérisation
I.1. Activation thermique de (L+E)/SiO2 à différentes températures et différents temps de réaction
I.2. Etude de la polymérisation à partir de dipeptides
II. Variation des quantités d’acides aminés déposés sur la silice
II.1. Effet de la densité d’acides aminés déposés : importance de la diffusion de surface
II.2. Variation du rapport Leu :Glu déposé sur la silice
III. Condensation sur d’autres surfaces minérales
III.1. Réactivité de Leu + Glu sur montmorillonite
III.2. Réactivité de Leu + Glu sur alumine
IV. Evaluation d’autres scénarios de polymérisation
IV.1. Cycles d’hydratation /déshydratation
IV.2. Dépôt de Leu et Glu sur des particules de silice différentes
V. Discussion générale
V.1. Rappels des données bibliographiques
V.2. Conclusions de la présente étude
Chapitre V. Vers une généralisation du scénario de polymérisation sur silice 
I. Choix de l’acide aminé trifonctionnel : étude de différents systèmes binaires (L+X)/SiO2
I.1. Présentation des systèmes binaires étudiés
I.2. Comparaison de différents acides aminés trifonctionnels
I.3. Comparaison de la réactivité des acides aminés trifonctionnels
I.4. Conclusion sur les systèmes binaires
II. Etude de systèmes plus complexes : polymérisation des mélanges GAVD et GAVE
II.1. Réactivité similaire des deux systèmes : le rôle essentiel du résidu trifonctionnel
II.2. Différence de réactivité entre les systèmes GAVD et GAVE
III. Etude de la polymérisation de nucléotides
Chapitre VI. Etude structurale des oligopeptides formés par condensation sur surface de silice
I. Présentation des techniques utilisées
I.1. Détermination des séquences peptidiques par MS/MS
I.2. Couplage de la spectrométrie de masse avec des techniques de séparation
II. Elucidation structurale des peptides formés par condensation peptidique dans le système Leu + Glu
II.1. Etude structurale des oligopeptides intacts
II.2. Sélectivité de séquence des formes déshydratées
III. Etude de la sélectivité de séquence des produits de condensation
III.1. Séquençage par MS/MS et position de l’acide aminé trifonctionnel
III.2. La question de la régiosélectivité
IV. Etude structurale des formes déshydratées
IV.1. Dipeptides déshydratés
IV.2. Généralisation aux oligopeptides déshydratés
Conclusion générale
Références
Annexes

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