Le ‘coût de la vie’ métabolique : quand la thermodynamique révèle l’énergie cachée des cellules

Le travail invisible de la cellule

En mécanique classique, si rien ne bouge, on dit qu’aucun travail n’est effectué. C’est assez logique, non ? Pourtant, la vie, elle, semble défier cette règle toute simple. Prenez une cellule, n’importe laquelle. Même au repos, elle consomme de l’énergie. Beaucoup d’énergie, en fait. Pourquoi ? Pour maintenir tout un tas de processus en équilibre, pour empêcher certaines réactions chimiques de se produire et en favoriser d’autres.

Cette idée d’un ‘coût de la vie’ métabolique est au cœur d’une étude fascinante publiée dans le Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT). Des chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour quantifier ces coûts énergétiques cachés, ces efforts invisibles que font nos cellules – et que faisaient les premières formes de vie – simplement pour exister et ne pas se dissoudre dans le chaos chimique ambiant.

Imaginez la scène, il y a des milliards d’années. Dans les profondeurs d’un océan primordial, près de sources hydrothermales, quelques molécules organiques s’assemblent pour former une première enveloppe. La première membrane cellulaire. À cet instant précis, un ‘dedans’ et un ‘dehors’ sont nés. Et avec eux, une contrainte énorme : ce système primitif a dû immédiatement dépenser de l’énergie pour maintenir cette séparation et pour choisir, parmi une infinité de réactions chimiques possibles, seulement quelques voies métaboliques utiles.

Une nouvelle méthode pour calculer l’impensable

L’équipe, menée par Praful Gagrani de l’Université de Tokyo, et comprenant Nino Lauber (Université de Vienne), Eric Smith (Institut de Technologie de Géorgie et Earth-Life Science Institute) et Christoph Flamm (Université de Vienne), s’est attaquée à un problème que la physique classique ignore superbement. Comment chiffrer le prix de la compartmentalisation et de la sélection de réactions ? Traditionnellement, ces ‘contraintes’ aux limites d’un système sont considérées comme des conditions extérieures fixes, sans coût énergétique propre. La thermodynamique stochastique, elle, raconte une autre histoire.

L’idée est venue des travaux antérieurs d’Eric Smith sur le cycle de Calvin, cette fameuse série de réactions de la photosynthèse qui transforme le dioxyde de carbone en glucose. Smith a utilisé un logiciel appelé MØD, développé par Flamm, pour lister toutes les voies chimiques possibles permettant cette conversion. Ensuite, il les a classées selon ce que Gagrani et ses collègues nomment désormais le ‘coût de maintenance’.

Leur découverte ? Le cycle utilisé par la nature, celui que l’on observe dans les plantes, fait partie des voies les moins dissipatives, celles dont le coût énergétique est le plus faible. « Génial, non ? », commente d’ailleurs Gagrani. Cette intuition a conduit à la création d’une méthode plus générale.

Maintenance et restriction : les deux piliers du coût caché

Leur approche est ingénieuse. Ils imaginent la cellule comme un système traversé par un flux constant : une molécule (un nutriment) entre, une autre (un produit ou un déchet) sort. En connaissant la chimie sous-jacente, on peut générer la liste de tous les chemins chimiquement possibles pour effectuer cette transformation.

Chaque voie a son propre ‘coût thermodynamique’. Mais ici, on ne calcule pas l’énergie au sens classique. On estime plutôt à quel point il serait improbable, dans un monde régi uniquement par la chimie spontanée, que le réseau de molécules et de réactions se comporte exactement de cette manière-là.

Cette improbabilité se décompose en deux parties cruciales. D’abord, le coût de maintenance : quelle est la difficulté à maintenir un flux constant à travers une voie précise ? Ensuite, le coût de restriction : quelle est la difficulté à bloquer toutes les réactions alternatives du réseau, tout en gardant active uniquement la voie qui nous intéresse ? La somme de ces deux improbabilités donne le coût total du processus. Cela permet enfin de classer les voies métaboliques selon leur ‘cherté’ pour la cellule.

« Nous avons observé des choses inattendues, mais qui font sens quand on y réfléchit », explique Gagrani. Par exemple, utiliser plusieurs voies en même temps est moins coûteux que de n’en utiliser qu’une seule. Il donne une analogie : « Imaginez quatre personnes qui doivent aller de A à B par des tunnels étroits. Si chacun a son propre tunnel – quatre tunnels – elles arrivent plus vite que s’il n’y en a que trois ou moins, car deux personnes ou plus se gêneraient dans le même passage étroit. »

La sélection naturelle et l’élégance des enzymes

Mais alors, si utiliser plusieurs chemins est plus efficace énergétiquement, pourquoi la nature privilégie-t-elle souvent un seul processus dominant ? C’est une bonne question. La réponse, selon les chercheurs, réside dans la catalyse.

« C’est vrai, mais dans les systèmes biologiques, les enzymes interviennent souvent », note Gagrani. Ces molécules facilitatrices accélèrent les réactions spécifiques et les rendent bien moins coûteuses. L’effet est le même que d’avoir plusieurs voies en parallèle, mais sans les inconvénients. Parce que oui, maintenir de multiples chemins a ses défauts : cela peut produire beaucoup de molécules intermédiaires, dont certaines sont potentiellement toxiques pour la cellule.

L’évolution a donc fait un choix : développer des catalyseurs hyper-efficaces pour une voie précise plutôt que de gérer un trafic chimique dispersé. C’est plus propre, plus contrôlé. Notre méthode, conclut Gagrani, « est un outil utile pour étudier l’origine et l’évolution de la vie car elle nous permet d’évaluer les coûts du choix et du maintien de processus métaboliques spécifiques. Elle nous aide à comprendre comment certaines voies émergent – mais expliquer pourquoi celles-là précisément ont été sélectionnées nécessite un effort véritablement multidisciplinaire. »

Finalement, cette recherche nous rappelle à quel point la vie est un équilibre précaire, un travail de tous les instants. Même quand tout semble calme, à l’intérieur de chaque être vivant, une comptabilité énergétique minutieuse et invisible est à l’œuvre, héritage direct des tout premiers battements du vivant dans les abysses océaniques.

Selon la source : phys.org

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