Découverte du chaînon manquant aux origines de la vie

Des biophysiciens de l'Université de Montréal viennent d'élucider une grande énigme qui nous empêchait de bien comprendre l'émergence de la vie sur Terre. En découvrant le mécanisme par lequel s'est formé le ribosome, la machine assurant la synthèse des protéines, ils ont ainsi fourni le chaînon qui manquait pour expliquer l'origine de la vie.

Selon la théorie de l'évolution, tous les êtres vivants actuels sont issus d'un même ancêtre commun qui était une cellule. Une cellule unique qui s'est reproduite en d'autres cellules et qui après plusieurs milliards d'années est devenue un humain. Mais que s'est-il passé avant cette première cellule vivante? «L'événement clé qui a permis l'émergence de la vie est l'apparition de ces très grosses molécules que sont les ribosomes, qui synthétisent toutes les protéines présentes dans les cellules vivantes», souligne Sergey Steinberg, professeur au département de biochimie de l'Université de Montréal.

La vie sous toutes ses formes, des simples bactéries aux êtres humains, repose sur deux éléments incontournables, rappelle le biophysicien. D'une part, les protéines qui participent à la structure des cellules et qui y font divers travaux, comme convertir les nutriments en énergie. Et d'autre part, l'ADN qui renferme les informations nécessaires à la synthèse de ces protéines. Or la machine qui parvient à traduire ces informations génétiques en protéines est le ribosome, une structure qui, on le comprend, s'avère absolument essentielle à l'existence de la vie sur cette planète.

«Quand la structure atomique du ribosome fut mise au jour et rendue publique en 2000, nous avons réalisé que cette structure était extrêmement complexe. Nous nous demandions comment une si grosse molécule avait pu se développer étape par étape au cours de l'évolution», raconte Sergey Steinberg. Avec son étudiant Konstantin Bokov, il a alors commencé à étudier cette gigantesque molécule constituée de 300 000 atomes. Après plusieurs années d'analyses minutieuses, ils ont soudainement vu un ordre sous-jacent à toute cette complexité. «Même si la molécule est très grosse et très complexe, sa construction obéissait à des règles relativement simples. Nous avons pu déchiffrer le processus d'assemblage des divers morceaux, qui a permis d'en arriver à la molécule du ribosome, à partir de presque rien. Nous avons même identifié l'ordre dans lequel les différents morceaux se sont greffés à la structure. Il nous est apparu clair qu'il s'agissait d'un processus simple et relativement court qui a eu lieu il y a deux milliards d'années», explique le scientifique qui, avec son étudiant, signe un article sur cette découverte fondamentale dans la revue Nature.

En dévoilant l'existence de ces principes chimiques ayant guidé l'auto-assemblage de la structure complexe du ribosome, le professeur Steinberg a fait une découverte extrêmement importante, affirme Stephen Michnick, professeur de biochimie à l'Université de Montréal. «Cette découverte est importante parce que le ribosome est une structure essentielle à la vie», souligne-t-il avant d'ajouter que les grands principes mis au jour par l'équipe de M. Steinberg expliquent probablement aussi comment d'autres éléments de la cellule ont pu se constituer. «Le fait de comprendre aussi précisément la structure du ribosome améliorera aussi indirectement la conception de nouveaux médicaments, car la plupart d'entre eux agissent sur le ribosome», fait-il valoir.

Auto-assemblage du ribosome

Le ribosome s'est constitué à partir de petites chaînes d'acide ribonucléique (ARN) composées d'environ 110 nucléotides, les unités de base de l'ARN, explique Sergey Steinberg. Les nucléotides se sont probablement formés spontanément alors que les composés chimiques présents dans l'atmosphère terrestre primitive étaient bombardés par de puissants éclairs et étaient soumis à de très hautes températures et à un taux élevé d'humidité, précise-t-il.

Aux petites chaînes de départ se sont graduellement greffés de petits segments d'ARN issus de cette «soupe primordiale». «De nouveaux segments d'ARN se sont ajoutés spontanément, mais dans un ordre très précis, en différents points des chaînes initiales. Ces segments en torsade avaient la capacité de croître sur la structure existante» et ont ainsi formé de multiples petites boucles, explique le scientifique dont la recherche se situe à la frontière entre la biophysique et la biochimie.

Le ribosome des bactéries se compose de trois longues chaînes d'ARN (comprenant 4500 nucléotides) qui se sont repliées sur elles-mêmes, lui conférant ainsi une structure globulaire très complexe dans les trois dimensions. «Chez les organismes plus évolués, il peut contenir un plus grand nombre de chaînes, mais le principe est essentiellement le même», précise le chercheur tout en soulignant le fait que le ribosome apparaît aujourd'hui sous une forme presque identique à celle qu'il avait au moment de son émergence. «Hormis l'ajout de quelques morceaux, sa structure interne n'a pratiquement pas changé depuis son émergence», dit-il.

«Après l'apparition des ribosomes, les protéines ont pu faire tout le reste. La vie telle qu'on la connaît a pu émerger, et l'évolution telle que l'a décrite Darwin s'est mise en marche», termine Sergey Steinberg.

Dans le laboratoire, son équipe s'applique maintenant à soumettre de petites molécules aux règles qu'elle a découvertes dans l'espoir de reproduire toutes les étapes menant à la reconstitution d'un ribosome. La théorie serait ainsi clairement confirmée.