Les scientifiques résolvent un mystère vieux de 150 ans : pourquoi la plupart de nos molécules sont « droitières »

Les fondements de la symétrie et le concept de chiralité

La forme des briques fondamentales de la vie résulte d’une collision complexe entre la biologie, la chimie et la physique quantique. Ce phénomène trouve une illustration simple dans l’observation directe de l’anatomie humaine. Placez vos mains devant vous, les deux paumes tournées dans la même direction. Pour la plupart des individus, il est juste d’affirmer qu’elles constituent d’excellentes images en miroir l’une de l’autre, à la fois identiques et inversées selon un axe vertical central.

Approchez vos mains l’une de l’autre sans les retourner, afin d’en poser une sur l’autre. Si vos trois doigts du milieu s’alignent correctement, vos auriculaires et vos pouces ne trouvent aucune correspondance parfaite pour se superposer. Bien que les mains soient des images en miroir, leur superposition exacte demeure impossible. Cette propriété physique fondamentale porte le nom de chiralité.

En dehors de son utilité pour réaliser des ombres chinoises, cette caractéristique est fréquemment observée dans les champs d’étude de la physique quantique. Les molécules dotées de cette propriété temporelle et spatiale, incapables de se superposer parfaitement à leur propre reflet, sont appelées des énantiomères. Ces derniers favorisent une orientation spécifique, un mystère lié à la rotation de leurs électrons qui a pu impacter la formation de l’ARN il y a des milliards d’années.

L’énigme de l’homochiralité au cœur du vivant

La chiralité se manifeste abondamment dans les molécules du corps humain, lesquelles affichent une orientation quasi systématique vers la droite ou vers la gauche. Dans les faits, la majorité des molécules biologiques s’avèrent chirales. Les deux formes chimiquement identiques d’une molécule qui apparaissent comme des reflets géométriques stricts définissent les énantiomères.

Ces composants ont tendance à dominer parmi les ingrédients constitutifs de la vie en favorisant l’une ou l’autre orientation. La raison exacte de cette domination a constitué un profond mystère pendant plus d’un siècle et demi. Cette préférence tacite des organismes vivants pour un énantiomère spécifique définit le phénomène de l’homochiralité, une anomalie qui déconcerte la communauté scientifique depuis des générations.

Pour trouver une réponse à cette énigme, une équipe de recherche a été dirigée par les physiciens Yossi Paltiel de l’Université hébraïque de Jérusalem en Israël et Ron Namaan de l’Institut Weizmann des Sciences, situé également en Israël. « Au fil des ans, plusieurs schémas ont été proposés concernant l’émergence de la chiralité dans la vie, mais aucun d’entre eux n’a expliqué une préférence manuelle spécifique », expliquent les scientifiques dans leur étude publiée dans la revue Science Advances. « Sur la base de l’énergétique identique des deux énantiomères et de la cartographie imposée par la symétrie de leurs propriétés, il a été généralement attendu que la valeur absolue de tout effet physique sera la même pour les deux énantiomères. »

L’effet CISS et la rotation dynamique des électrons

Afin de dénouer ce problème séculaire, les chercheurs se sont concentrés sur un phénomène identifié il y a plusieurs décennies par la science. Il s’agit de l’effet de sélectivité de spin induite par la chiralité (CISS), qui offre une explication partielle de la latéralité prédominante dans les biomolécules.

En apparence, l’effet CISS laisse penser que le mouvement des électrons à travers les deux énantiomères d’une molécule devrait être identique, car leurs structures s’avèrent techniquement similaires en tout autre point. L’observation minutieuse révèle pourtant une mécanique distincte. Les façons dont les électrons tournent à travers ces composants asymétriques sont souvent similaires, mais elles ne parviennent jamais à être exactement symétriques.

Les scientifiques estiment aujourd’hui que la rotation d’un électron à l’intérieur d’un énantiomère spécifique augmente considérablement son efficacité opérationnelle. C’est cette rentabilité énergétique accrue au niveau subatomique qui pousse une version moléculaire droite ou gauche à apparaître de façon répétée et continuelle chez les êtres vivants.

Le couplage spin-orbite : le moteur des asymétries fonctionnelles

La direction dans laquelle les électrons tournent au sein d’une molécule dépend directement de leur moment cinétique. Cette grandeur physique correspond au mouvement de rotation sur un axe, par opposition à un déplacement linéaire vers l’avant ou vers l’arrière.

L’équipe a démontré que la projection de la trajectoire de ces électrons implique le couplage spin-orbite. Il s’agit d’une interaction précise à l’intérieur d’un atome qui relie le spin de l’électron à son moment de rotation lorsqu’il gravite autour du noyau. Ce phénomène de rotation explique pourquoi les énantiomères agissent de manière si différente lors de certains processus biologiques spécifiques.

Malgré un niveau d’énergie identique, les énantiomères en mouvement ou ceux qui opèrent comme transporteurs adoptent des comportements légèrement distincts, dictés par des rotations électroniques opposées. Une direction de rotation précise rend souvent un énantiomère plus efficace que l’autre, poussant l’organisme à privilégier cette version. À titre d’exemple, les acides aminés sont presque exclusivement orientés vers la gauche, tandis que les sucres montrent une très nette propension à s’orienter vers la droite.

Les roches magnétiques comme filtres sur la Terre primitive

Les auteurs de l’étude soulignent que ces résultats ouvrent une véritable fenêtre sur le passé lointain de notre planète. Ces travaux nous ramènent à l’époque où l’ancêtre de toute vie terrestre a émergé dans les anfractuosités d’une roche ancienne ou au sein d’une masse de boue primordiale. Les matériaux géologiques aux propriétés magnétiques, tels que le fer et la magnétite, se trouvaient en très grande abondance sur la Terre primitive.

Une roche magnétique possède systématiquement deux pôles, le nord et le sud. Selon le pôle orienté vers le haut, le minéral attire et fixe à sa surface une version particulière d’une molécule chirale, laissant sa contrepartie libre de ses mouvements. Ce mécanisme d’attraction sélective se produit car la proximité d’une surface magnétique polarise simultanément la charge électrique de la molécule chirale et la rotation de ses électrons.

Le pôle qui attire un composant spécifique varie selon l’orientation gauche ou droite de ce dernier. Par conséquent, une roche magnétique a pu opérer comme un véritable filtre environnemental naturel, capable de collecter un énantiomère tout en ignorant sa réplique géométrique. De telles interactions avec des surfaces magnétisées ont ainsi pu façonner les molécules du génome de la première forme de vie pour imposer une préférence d’orientation unilatérale.

La ribose aminooxazoline et la validation d’une hypothèse originelle

Les chercheurs estiment que la ribose aminooxazoline (RAO) aurait constitué le précurseur de l’ARN. L’équipe a rigoureusement testé son hypothèse en utilisant cette molécule spécifique pour observer son comportement dans ces conditions paléogéologiques simulées.

L’analyse produite par cette modélisation démontre que les interactions avec les surfaces magnétiques de la Terre primitive fournissent une explication solide. Elles justifient la raison pour laquelle la biologie favorise universellement les sucres de type D pour la structure de l’ARN, ainsi que les acides aminés de type L pour la composition des protéines.

« Ce travail fournit une voie plausible et universelle pour mieux comprendre les origines de l’homochiralité biomoléculaire et la préférence manuelle spécifique des molécules chirales dans la nature », détaillent les auteurs dans la conclusion de leur publication scientifique. « En outre, il fournit de nouvelles perspectives sur les processus et dispositifs énantiospécifiques dépendant du spin. »

Selon la source : popularmechanics.com