De la molécule à l'organisme
Comment la vie est-elle apparue sur Terre ? Comment a-t-elle pu se maintenir et se développer ? Les chercheurs de l'ETH sont à la recherche de réponses à ces grandes questions.
Depuis toujours, les hommes cherchent des réponses à la question de savoir comment la vie est apparue sur Terre. Les anciennes cultures expliquaient la formation de la Terre et l'origine de la vie par l'action des dieux et des divinités. La science aborde cette question différemment. Des générations de chercheurs ont élaboré des théories et des hypothèses sur l'origine de la vie en se basant sur les lois fondamentales de la physique, de la chimie et de la biologie - et ont entre-temps également accumulé beaucoup de connaissances.
"Le fait que nous nous penchions sur de telles questions est profondément ancré dans notre monde occidental. C'est une question de foi posée de manière scientifique", explique Roland Riek, professeur de chimie physique à l'ETH Zurich. Dans ses recherches, il se penche notamment sur la question de savoir quels sont les éléments chimiques nécessaires à l'apparition de la vie qui ont été présents en premier.
La chimie devait être parfaite
Pour Riek, de nombreux indices montrent que le premier monde chimique, quelques centaines de millions d'années après la naissance de la Terre, devait être constitué d'acides aminés et de peptides formés à partir de ceux-ci au moyen de gaz volcanique. Ils seraient stables et supporteraient des températures assez élevées. De plus, les acides aminés sont relativement faciles à créer, comme l'ont montré d'autres chercheurs avec des expériences de "soupe primitive". On trouve également des acides aminés sur les météorites, mais proportionnellement peu d'éléments constitutifs des acides ribonucléiques (ARN), que la plupart des scientifiques considèrent comme les premiers composés chimiques à l'origine de la vie sur Terre.
"Les peptides ont les mêmes capacités que les acides ribonucléiques : ils peuvent s'auto-répliquer, sans toutefois nécessiter la grande précision de la réplication de l'ARN. Comme l'ARN, ils ont la capacité de stocker et de transmettre des informations, mais aussi d'être actifs sur le plan catalytique", souligne Riek, qui étudie entre autres dans son laboratoire comment les peptides de structure simple deviennent des amylo?des. Les amylo?des sont des complexes moléculaires très résistants, presque impossibles à dissoudre, qui se composent toujours des mêmes peptides - et de tels complexes peptidiques peuvent stocker des informations, les transmettre et cro?tre comme des cristaux.
Les amylo?des peuvent en outre se lier facilement aux molécules d'ARN. "C'est pourquoi, pour moi, ce qui a pu être au départ est clair : Des acides aminés, des peptides et finalement des amylo?des qui, à un moment donné, ont rencontré l'ARN et se sont liés à lui", explique Riek. "C'est à partir de cette liaison que l'information génétique s'est développée au fil du temps".
"Le premier monde chimique était probablement constitué d'acides aminés et de peptides".Roland Riek
Une telle rencontre des éléments chimiques de base pourrait avoir eu lieu dans des cheminées hydrothermales en mer profonde ou dans une mare de marée préhistorique où les molécules pouvaient se concentrer par évaporation. Les concentrations élevées ont conduit à la synthèse spontanée de molécules plus complexes. "Cela ne se produira pas en plein océan, car la dilution est bien trop importante", fait remarquer le chercheur.
Le chemin vers la première cellule
Les chercheurs ne savent toutefois que très partiellement comment la formation d'une première cellule s'est produite. "Nous ne disposons que de très peu d'informations à ce sujet", explique Riek, qui a également la physique et la biologie comme bagage professionnel.
Il semble toutefois essentiel que des compartiments fermés puissent se former dans la soupe primitive riche en molécules, et pour cela, il fallait des acides gras. De tels précurseurs de lipides peuvent se rassembler spontanément en membranes et former de petites bulles - des récipients de réaction séparés de la soupe primitive, dans lesquels les substances et les molécules sont encore plus concentrées. Une telle vésicule favorise et accélère considérablement les réactions chimiques.
Du primitif au complexe
"La formation de vésicules a sans doute été la clé de l'apparition d'organismes unicellulaires dans lesquels des molécules plus complexes, comme l'ARN, ont pu se multiplier davantage et dans lesquels s'est développé un métabolisme qui a permis d'obtenir suffisamment d'énergie pour la multiplication des informations.génère suffisamment d'énergie pour accélérer les processus d'amplification et améliorer la transmission de l'information génétique", ajoute Martin Pilhofer, professeur à l'Institut de biologie moléculaire et de biophysique de l'ETH Zurich.
"On ne sait pas combien de temps a duré cette phase. Plus nous remontons dans l'histoire de la Terre, plus nos hypothèses et nos connaissances deviennent incertaines", explique Pilhofer. L'apparition des premiers organismes unicellulaires ne peut pas non plus être déterminée avec précision. On estime qu'ils sont apparus il y a environ 3,5 à 4 milliards d'années, comme en témoignent les bactéries fossiles. Il est certain que la Terre était vivante il y a 3 milliards d'années.
Il est probable que les premiers organismes unicellulaires soient apparus dans des lieux disposant d'une source d'énergie externe - c'est-à-dire à proximité de cheminées hydrothermales dans les profondeurs de la mer ou de sources chaudes, comme on en trouve par exemple dans le parc national de Yellowstone. Ce n'est qu'en développant leur propre métabolisme que les organismes unicellulaires ont réussi à s'affranchir de cette source d'énergie externe et à conquérir de nouveaux habitats.
Un ancêtre venu des profondeurs
Dans l'environnement de tels puits sous-marins, les êtres vivants unicellulaires pourraient avoir évolué très t?t dans différentes directions : "Nous supposons que dans de tels endroits extrêmes, les organismes unicellulaires originaux se sont scindés en bactéries et en archées peu après leur formation", explique le microbiologiste Pilhofer.
Les bactéries et les archées, autrefois appelées archaebactéries ou bactéries primitives, sont des organismes généralement unicellulaires sans noyau cellulaire. Elles forment deux grands domaines dans l'arbre phylogénétique. Les eucaryotes constituent un troisième domaine. Contrairement aux bactéries et aux archées, les eucaryotes ont un noyau cellulaire dans lequel est stocké le matériel génétique, l'ADN. Une autre particularité des eucaryotes est la présence de compartiments cellulaires séparés par des membranes, comme les mitochondries ou les chloroplastes.
Les chercheurs cherchent depuis longtemps à expliquer comment des microbes bactériens ou archa?ques ont pu donner naissance à des eucaryotes. De nombreux scientifiques pensent qu'il est possible qu'une cellule h?te ait "avalé" une bactérie. Celle-ci a évolué au fil du temps pour devenir une mitochondrie, la centrale électrique des eucaryotes. "Le fait qu'un tel événement se soit produit est indiscutable", affirme Pilhofer. Un autre événement de ce type aurait également conduit à l'incorporation d'une cyanobactérie photosynthétiquement active dans une cellule et à sa transformation en chloroplaste, qui effectue la photosynthèse dans les plantes vertes et les algues.
En revanche, on ne sait pas exactement quelle pourrait être cette cellule h?te - l'ancêtre des eucaryotes. Mais le voile se lève : il y a quelques années, des scientifiques ont publié de nouvelles informations sur un groupe original d'archées récemment découvert.
Elles proviennent d'une cheminée thermique en eau profonde appelée "Loki's Castle". Ce champ hydrothermal, où de l'eau à 300 degrés Celsius s'écoule des cheminées rocheuses, n'a été découvert qu'en 2008 dans l'Atlantique Nord, à 2300 mètres de profondeur. Des chercheurs suédois ont prélevé des échantillons de sédiments et analysé le matériel génétique qu'ils contenaient. Ils ont ainsi pu reconstituer les génomes d'organismes inconnus. "Ces découvertes ont révolutionné notre vision de l'arbre généalogique de la vie", souligne Pilhofer.
En effet, les génomes indiquaient la présence d'un nouveau groupe d'archées, d'abord appelées archées de Loki en référence au lieu de découverte du ch?teau de Loki, puis classées dans la classe des archées d'Asgard sur la base d'études génomiques et morphologiques plus poussées.
Ces micro-organismes nouvellement décrits ont permis de conclure que les eucaryotes ne sont pas un domaine à part entière, mais un sous-domaine des archées asgardiennes. Martin Pilhofer en explique la raison : "Le génome des archées asgardiennes contient quelques gènes que nous ne connaissons typiquement que chez les eucaryotes. Un exemple éminent est le gène qui porte l'information génétique pour la protéine du cytosquelette, l'actine. Cela signifie que les archées disposent de protéines que nous n'avons trouvées jusqu'à présent que chez les eucaryotes".
Le microbiologiste spécialisé dans les cytosquelettes a donc une explication possible sur la manière dont l'archa?sme asgardien originel a pu s'emparer de la bactérie : gr?ce à des tentacules soutenus par de l'actine. Elles explorent ainsi leur environnement et entrent en contact avec d'autres organismes.
Comme les archées et les bactéries poussent souvent dans des gazons biologiques denses et riches en espèces (en anglais biological mats) dans des endroits aussi extrêmes, d'innombrables interactions ont lieu entre les individus et les différentes espèces. Avec ses tentacules, une archaeum asgard pourrait finalement avoir entouré la bactérie en question et l'avoir incorporée. "C'est donc probablement une archaea asgard préhistorique qui a absorbé une bactérie et posé la première pierre du développement des cellules eucaryotes", explique Pilhofer.
Avec son groupe, il est en train de réaliser des images en microscopie électronique à haute résolution des archées d'Asgard. Les images obtenues jusqu'à présent ne lui permettent pas d'évaluer suffisamment bien si ces organismes ont un cytosquelette. Les chercheurs de l'ETH veulent également déterminer à quoi ressemble la membrane cellulaire des archées asgardiennes et s'il existe un système de membrane interne spécial dans ces cellules. "Ces recherches nous aident à mieux comprendre comment une cellule h?te, autrefois fusionnée avec une bactérie, a évolué en une cellule eucaryote complexe", explique Pilhofer.
Vers les personnes
Roland Riek est professeur de chimie physique au Département de chimie et des sciences biologiques appliquées et codirecteur du Centre for Origin and Prevalence of Life (COPL) de l'ETH Zurich.
Martin Pilhofer est professeur de cryo-microscopie électronique au Département de biologie de l'ETH Zurich.
"Globe" Sur la piste de la vie
Ce texte est paru dans le numéro 22/04 du magazine de l'ETH. Globe est paru.