Des biologistes ont identifié une minuscule molécule d’ARN pouvant s’auto-répliquer ainsi que son brin complémentaire dans des conditions simulant celles de la Terre primitive. Contrairement aux précédentes expériences, la synthèse complète du brin complémentaire et la copie complète du ribozyme ont été obtenues dans les conditions expérimentales. Ces résultats renforcent l’hypothèse selon laquelle ces molécules ont servi de précurseurs de base pour faire émerger la vie sur notre planète.
La manière dont la vie a émergé sur Terre constitue l’une des plus grandes questions de la science moderne. Parmi les principales théories avancées figure celle du « monde à ARN », selon laquelle des molécules d’ARN se seraient formées spontanément dans la « soupe primordiale » et auraient commencé à se répliquer et à évoluer pour donner naissance aux premières formes de vie.
Selon cette hypothèse, l’ARN aurait constitué un polymère originel pouvant s’auto-répliquer et s’auto-organiser pour former les premiers systèmes biologiques. Des expériences ont mis au jour des molécules d’ARN agissant comme enzymes (ribozymes) capables de catalyser la polymérisation de l’ARN.
Cependant, les brins identifiés jusqu’ici sont trop longs et trop complexes pour s’auto-répliquer eux-mêmes. Plus précisément, ils s’auto-répliquent mais seulement partiellement, ce qui réduirait leurs chances de faire émerger des systèmes biologiques. En effet, la réplication d’ARN est un processus complexe impliquant des cascades de réactions et d’interactions moléculaires précises. Les brins trop longs exigeraient donc une réplication extrêmement précise pour éviter qu’ils ne se dégradent ou ne génèrent des mutations délétères.
Compte tenu de ces limites, on considère généralement que les molécules d’ARN plus courtes ont plus de chances d’apparaître et de s’auto-répliquer spontanément. Une étude publiée récemment dans la revue Science explore cette hypothèse en identifiant un minuscule ribozyme polymérase montrant les prémisses d’une auto-réplication complète.
« Dans ce domaine, tous les chercheurs travaillaient sur la même lignée de ribozymes depuis plus de 30 ans et pensaient qu’en trouver une nouvelle serait très difficile, et qu’il fallait une longue séquence d’ARN pour qu’elle puisse remplir sa fonction », explique l’auteur principal de l’étude, Edoardo Gianni, du Laboratoire de biologie moléculaire du centre MRC, à Cambridge.
« L’identification d’un petit ARN rend beaucoup plus probable l’idée que l’ARN autoréplicatif soit apparu spontanément, et grâce à sa taille, il a réussi à se copier entièrement ainsi que son modèle – contrairement aux travaux précédents où seules de petites parties étaient copiées », indique-t-il.
Structure d’un grand ribozyme ARN polymérase précédemment découvert (gris, d’après pdb : 8T2P) comparée à celle du petit ribozyme ARN polymérase QT45 nouvellement découvert (bleu, prédiction AlphaFold3). © Edoardo Gianni
Un ribozyme minimal qui repousse les frontières de l’auto-réplication
Pour obtenir leur ribozyme polymérase, les chercheurs ont utilisé des bassins cryogéniques contenant près d’un milliard de séquences d’ARN aléatoires et extrêmement courtes. L’objectif était de déterminer si certaines combinaisons pouvaient s’auto-copier et s’auto-assembler pour former des séquences plus complexes.
Après plusieurs cycles de tests, les chercheurs ont identifié la molécule la plus performante parmi celles testées : la QT45. Dans des conditions optimales, QT45 s’est révélé être un ribozyme très efficace, capable de copier son propre brin ainsi que d’autres matrices d’ARN de complexité croissante. Un résultat particulièrement notable est que la QT45 a également synthétisé son brin complémentaire.
« QT45 peut synthétiser à la fois son brin complémentaire à partir d’une banque de triplets aléatoires avec une fidélité de 94,1 % par nucléotide, et une copie de lui-même à partir de substrats définis, les deux synthèses présentant un rendement d’environ 0,2 % en 72 jours », écrivent les chercheurs.
« Au-delà de son importance scientifique, cette découverte a également des implications quant à la probabilité d’apparition spontanée de la vie et à la possibilité que des processus similaires se produisent sur d’autres planètes », ajoute le chercheur. La prochaine étape de la recherche consistera à déterminer comment augmenter la vitesse d’auto-réplication du ribozyme ainsi que son rendement.
