Une étude suggère que la vie sur Terre serait apparue à partir de deux lignées distinctes donnant chacune naissance aux premières cellules libres. La vie aurait ainsi émergé à partir de ces deux lignées, une lignée bactérienne et une lignée archéenne, ayant chacune développé des enzymes catalysant les réactions métaboliques essentielles à l’émergence des premières cellules libres.
L’émergence des premières formes de vie sur Terre a nécessité un ensemble de réactions chimiques complexes sous-tendant le métabolisme, le réseau auto-catalytique et les réactions enzymatiques. Si les réactions métaboliques effectuées actuellement par les organismes vivants sont catalysées par des enzymes, il n’y avait à l’origine aucune enzyme pour catalyser les premières réactions métaboliques.
Si la manière dont le métabolisme est apparu spontanément en l’absence d’enzymes constitue un débat de longue date, un point au moins fait consensus : le métabolisme primitif est composé d’un réseau très interconnecté de 420 réactions chimiques qui aurait converti le H₂, le CO₂, le NH₃, le H₂S et le phosphate en acides aminés, en nucléobases et en cofacteurs.
La question fondamentale sur l’origine du métabolisme concerne particulièrement la manière dont il a émergé chez LUCA, le dernier ancêtre commun universel de toutes les cellules. LUCA était-il capable de synthétiser lui-même tous ses intermédiaires métaboliques ou certains étaient-ils encore fournis par l’environnement ?
Cette question est restée longtemps sans réponse, les études expérimentales dédiées à l’évolution du métabolisme étant rares. Des chercheurs de l’Institut d’évolution moléculaire de l’Université Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) affirment avoir identifié des états intermédiaires de l’assemblage métabolique primordial. Plus précisément, ils auraient retracé l’origine des enzymes utilisées lors de la divergence des lignées menant aux bactéries et aux archées.
Un métabolisme primitif à mi-chemin entre métaux et enzymes
Le métabolisme central moderne comprend environ 400 à 420 réactions, dont une partie importante est conservée chez les organismes actuels. Pour effectuer leurs analyses, l’équipe du HHU a exploré les génomes, les structures protéiques et les réactions chimiques sous-tendant les premières phases de l’évolution microbienne, avant même l’apparition des cellules libres.
« Ces comparaisons nous apportent des informations inédites sur la phase de l’évolution où le métabolisme catalysé par des enzymes est apparu à partir de réactions spontanées catalysées par des métaux dans la croûte terrestre », explique William Martin, biologiste au HHU et co-auteur principal de l’étude, dans un communiqué.
Les résultats détaillés dans la revue Science Advances ont révélé que LUCA ne possédait des enzymes que pour environ la moitié des 420 réactions du métabolisme. Une partie importante de ces réactions pouvait être catalysée par des métaux présents dans l’environnement. En effet, les métaux naturellement présents dans les sources hydrothermales peuvent remplacer un grand nombre d’enzymes métaboliques.
« Plus on regarde de près, plus il nous apparaît clairement que l’évolution biochimique primitive était un hybride de catalyseurs enzymatiques et métalliques », explique Joseph Moran de l’Université d’Ottawa, au Canada, et également coauteur de l’étude.
Plus précisément, les chercheurs ont identifié quatre phases d’évolution précoce de la catalyse : une phase exclusivement métallique, une phase hybride métal-enzyme et deux évolutions distinctes vers les ancêtres des lignées bactériennes et archéennes. De nouvelles enzymes seraient ensuite apparues chez ces lignées, remplaçant progressivement les catalyseurs inorganiques fournis par leur environnement.
Métabolisme des premières cellules. Les composés initiaux sont représentés à gauche ; ils sont transformés par le métabolisme en éléments constitutifs de la vie. Les 420 réactions enzymatiques sont indiquées par des cercles, les métabolites chimiques par des losanges, et des lignes relient les réactions ayant des métabolites communs. Les cercles magenta indiquent des réactions qui auraient pu être catalysées par des composés inorganiques présents dans le milieu où le métabolisme des premières cellules est apparu. © HHU/Nadja Hoffmann)
Deux lignées, deux trajectoires vers l’autonomie métabolique
Ces résultats suggèrent que les bactéries et les archées ont développé indépendamment des enzymes spécifiques pour catalyser la même réaction métabolique nécessaire à l’apparition des cellules libres. Cette évolution en parallèle suggère ainsi que les voies métaboliques conduisant aux lignées bactériennes et archéennes se sont assemblées indépendamment.
Cependant, malgré la présence d’alternatives catalytiques, une source d’énergie était également nécessaire pour alimenter les réactions nécessaires au métabolisme de LUCA. L’énergie alimentant le métabolisme est actuellement disponible sous la forme d’ATP (adénosine triphosphate), une molécule complexe synthétisée par des enzymes et qui n’est pas naturellement présente dans les sources hydrothermales.
Pour la phosphorylation prébiotique, les chercheurs proposent plutôt un rôle du phosphite associé à des métaux de transition naturels. « Lorsque l’on fait réagir du phosphite, une forme de phosphore présente naturellement dans les sources hydrothermales, avec des composés organiques, on obtient des réactions de phosphorylation métabolique en une nuit dans l’eau. Le phosphite et le palladium remplacent l’ATP et les enzymes ; c’est fascinant, et cela rend l’évolution primitive beaucoup plus facile à comprendre », explique Manon Schlikker, membre de l’équipe du HHU.
« Ces nouvelles données ne mènent qu’à une seule conclusion. Les lignées bactériennes et archéennes ont évolué indépendamment vers un état de vie libre. Seules les cellules libres sont vivantes. Soyons clairs : nous observons une origine du code génétique, mais deux origines de la vie », conclut Martin.
