Nous aurions peut-être eu tort depuis toujours sur l’origine de la vie, selon des scientifiques

Le mystère de nos origines remis en question

Certaines vérités établies semblent gravées dans le marbre. Pourtant, un concept figurant dans tous les manuels de biologie de ces 70 dernières années pourrait bien nécessiter une réécriture complète. Ce bouleversement ne vient pas d’une négligence scientifique passée, mais d’une limitation des outils de l’époque qui a discrètement forgé toute une génération de suppositions sur la façon dont la vie est apparue sur notre planète. Les implications de cette remise en question sont colossales, puisqu’elles remontent à quatre milliards d’années, aux toutes premières instructions codées que la vie ait jamais utilisées pour se construire.

Il s’avère que ces instructions pourraient être beaucoup plus anciennes et étranges que quiconque ne l’avait imaginé. La question centrale est faussement simple : dans quel ordre l’alphabet de la vie s’est-il assemblé ? Chaque protéine de chaque organisme ayant jamais vécu sur Terre est construite à partir du même ensemble de 20 acides aminés, qui constituent les briques moléculaires de base. Les scientifiques ont longtemps cru comprendre, dans les grandes lignes, lesquels de ces acides aminés étaient apparus en premier et lesquels étaient arrivés en dernier. Mais de nouvelles recherches, publiées à la fin de l’année 2024, viennent bousculer cette chronologie.

Cette étude, issue de l’Université de l’Arizona, suscite une attention considérable dans les cercles de recherche sur les origines de la vie. Les conclusions ne représentent pas un simple ajustement marginal. Elles suggèrent que la fondation entière sur laquelle les scientifiques ont bâti leur modèle de l’évolution du code génétique pourrait reposer, du moins en partie, sur un ensemble d’hypothèses erronées. Des hypothèses qui trouvent leur source dans une expérience de laboratoire légendaire menée en 1952. Ces nouvelles données ont une importance cruciale pour comprendre la vie sur Terre, mais aussi pour savoir où la chercher ailleurs dans le cosmos.

Le code génétique et l’ancêtre commun (LUCA)

Pour saisir l’ampleur de cette découverte, il faut revenir aux fondamentaux. Le code génétique, comme le décrit Joanna Masel, auteure principale de l’étude et professeure d’écologie et de biologie évolutive à l’Université de l’Arizona, est « cette chose incroyable dans laquelle une chaîne d’ADN ou d’ARN contenant des séquences de quatre nucléotides est traduite en séquences de protéines en utilisant 20 acides aminés différents. » Chaque protéine fabriquée par un corps, qu’il s’agisse d’une enzyme, d’une molécule structurelle ou d’un anticorps, est le produit direct de ce code exécutant ses instructions.

Le code génétique moderne s’est probablement assemblé par étapes. Il aurait commencé par des acides aminés dits précoces, potentiellement livrés sur Terre par des astéroïdes ou formés par une chimie simple, pour se terminer par des acides aminés tardifs nécessitant une synthèse biologique. L’ordre de cet assemblage était auparavant déduit d’un consensus reposant sur une quarantaine de métriques différentes. Nombre d’entre elles reflétaient l’abondance de ces molécules dans la chimie non vivante de la Terre primitive. C’est ici qu’intervient LUCA, le dernier ancêtre commun universel. Il s’agit de la population cellulaire ancestrale hypothétique dont descend toute la vie ultérieure, à savoir les bactéries, les archées et tous les organismes complexes.

La plupart des études suggèrent que LUCA existait il y a environ 3,5 milliards d’années, et peut-être même jusqu’à 4,3 milliards d’années. Une étude marquante de 2024 parue dans Nature Ecology and Evolution, menée par des chercheurs de l’Université de Bristol et relayée par les reportages de Science Daily, a précisé cette chronologie. Elle a déduit que LUCA a vécu il y a environ 4,2 milliards d’années et possédait un génome d’au moins 2,5 mégabases codant pour environ 2 600 protéines. LUCA, d’une échelle comparable aux procaryotes modernes, fonctionnait comme un acétogène anaérobie complexe déjà intégré à un écosystème. Il représente la racine de l’arbre de la vie avant sa division en bactéries, archées et eucaryotes. La vie moderne a hérité de LUCA divers éléments, dont les mêmes acides aminés, l’ATP comme monnaie énergétique commune, et la machinerie cellulaire comme le ribosome. (À noter que l’article source invite également, en marge de ce sujet, à lire davantage sur le fait que les grands-mères ont joué un rôle crucial dans l’évolution humaine). Mais LUCA ne venait pas de nulle part : sa machinerie de construction des protéines avait une histoire, et c’est ce passé que l’équipe de l’Arizona a voulu exhumer.

L’expérience fondatrice de 1952 et ses failles

L’une des pierres angulaires de la pensée conventionnelle sur l’évolution du code génétique repose sur la célèbre expérience de Miller-Urey. Menée en 1952 et publiée en 1953, elle tentait de simuler les conditions de la Terre primitive. Bien qu’elle ait été précieuse pour démontrer que la matière non vivante pouvait donner naissance à des acides aminés par le biais de simples réactions chimiques, ses implications sont aujourd’hui remises en question. Le point crucial est que cette expérience n’a produit aucun acide aminé contenant du soufre, bien que cet élément ait été abondant sur la Terre primitive. Par conséquent, les scientifiques ont supposé que les acides aminés soufrés avaient rejoint le code génétique beaucoup plus tard. Or, cette conclusion n’a rien de surprenant, puisque le soufre avait tout simplement été omis des ingrédients initiaux de l’expérience.

L’expérience de Miller-Urey a simulé l’atmosphère et les océans de la Terre primitive pour tester si les molécules organiques pouvaient se former de manière abiotique, c’est-à-dire par la chimie seule, sans organismes vivants. Elle a documenté la production d’acides aminés et d’autres molécules organiques, prouvant que l’évolution chimique, soit la formation de produits chimiques complexes à partir de produits simples, était possible. Cependant, comme le rapporte Britannica, le mélange gazeux de l’expérience, composé de méthane, d’ammoniac, d’hydrogène et d’eau, représentait ce que les scientifiques de l’époque croyaient être l’atmosphère primitive. Des travaux ultérieurs ont révélé que les gaz utilisés par Miller n’existaient pas en grandes quantités sur la Terre primitive.

Le soi-disant consensus actuel sur l’ordre dans lequel les acides aminés ont été ajoutés au code génétique repose donc sur des critères potentiellement biaisés. Plus largement, l’abondance abiotique d’une molécule dans un ballon de laboratoire pourrait ne pas refléter son abondance biotique à l’intérieur des cellules primitives où le code génétique évoluait réellement. Cette distinction, longtemps ignorée, s’avère aujourd’hui extrêmement lourde de conséquences pour notre compréhension des origines de la biologie.

Une nouvelle méthode d’analyse révolutionnaire

Pour surmonter ces biais historiques, Sawsan Wehbi, doctorante au sein du programme interdisciplinaire d’études supérieures en génétique de l’Université de l’Arizona, a trouvé des preuves solides indiquant que la version des manuels scolaires a besoin d’être révisée. Elle est la première auteure d’une étude publiée dans la revue PNAS, suggérant que l’ordre dans lequel les acides aminés ont été recrutés est en contradiction avec ce qui est largement considéré comme le consensus. Le changement méthodologique qui a rendu cela possible a consisté à s’éloigner des séquences de protéines complètes pour se concentrer sur quelque chose de plus petit et de plus ancien.

Contrairement aux études précédentes, l’équipe de Sawsan Wehbi s’est penchée sur les domaines protéiques, qui sont de plus courts segments d’acides aminés. « Si vous pensez que la protéine est une voiture, un domaine est comme une roue », a expliqué la chercheuse. « C’est une pièce qui peut être utilisée dans beaucoup de voitures différentes, et les roues existent depuis bien plus longtemps que les voitures. » Cette distinction est d’une importance capitale. Les protéines complètes sont des inventions évolutives relativement récentes. Les domaines qu’elles contiennent sont en revanche beaucoup plus anciens, certains ayant survécu pratiquement inchangés à travers des milliards d’années d’évolution.

En analysant ces domaines plutôt que des protéines entières, l’équipe a pu remonter beaucoup plus loin dans le passé. Pour déterminer quand des acides aminés spécifiques ont probablement été recrutés dans le code génétique, les chercheurs ont utilisé des outils d’analyse statistique. Ils ont comparé l’enrichissement de chaque acide aminé dans des séquences de protéines remontant à LUCA, et même au-delà. Les résultats ont été fructueux : l’équipe a identifié plus de 400 familles de séquences remontant à LUCA. Mieux encore, plus de 100 d’entre elles ont pour origine une époque encore plus lointaine et s’étaient déjà diversifiées bien avant l’apparition de l’ancêtre commun.

Un calendrier réécrit : soufre et structures aromatiques

Les découvertes de cette étude ont renversé plusieurs hypothèses de longue date concernant la chronologie des acides aminés. L’équipe a d’abord constaté que des acides aminés plus petits ont été ajoutés au code plus tôt, mais d’une manière différente de ce qui était pensé. Les acides aminés liant les métaux, notamment la cystéine et l’histidine, ainsi que ceux contenant du soufre, dont la cystéine et la méthionine, ont été ajoutés au code génétique beaucoup plus tôt que prévu. Cela contredit directement le modèle de l’ère Miller-Urey, qui supposait que les acides aminés soufrés étaient des ajouts tardifs en raison de leur absence dans l’expérience de 1952. Comme le démontre l’équipe de l’Arizona, cet échec était un simple artefact lié à l’omission du soufre, et non une preuve que la vie ancienne en manquait.

Aujourd’hui, la cystéine et la méthionine sont les seuls acides aminés contenant du soufre dans le code génétique contemporain. Les procaryotes modernes vivant dans des environnements riches en sulfure d’hydrogène les utilisent d’ailleurs beaucoup plus intensément que les espèces d’autres milieux. L’enrichissement de ces acides aminés dans les anciennes séquences de LUCA reflète donc très probablement un environnement de vie primitif qui était saturé de gaz sulfure d’hydrogène. Mais l’étude a révélé une autre surprise de taille : la vie primitive semblait beaucoup apprécier les structures moléculaires en forme d’anneaux.

Les séquences de protéines antérieures à LUCA se sont révélées contenir davantage d’acides aminés dotés de structures en anneau aromatique, qui confèrent des propriétés chimiques particulières, comme le tryptophane et la tyrosine. Et ce, bien que ces acides aminés soient considérés comme des ajouts tardifs au code génétique actuel. Les séquences encore plus anciennes ont des fréquences significativement plus élevées d’acides aminés aromatiques, incluant le tryptophane, la tyrosine, la phénylalanine et l’histidine. « Cela donne des indices sur d’autres codes génétiques qui ont précédé le nôtre, et qui ont depuis disparu dans l’abîme du temps géologique », a déclaré Joanna Masel. Elle a d’ailleurs résumé la situation avec un sens de la formule très direct : « La vie primitive semble avoir aimé les anneaux. »

Le paradoxe du tryptophane et les anciens codes disparus

Parmi toutes ces observations, le cas du tryptophane occupe une place tout à fait singulière en biologie, formant ce que l’on pourrait appeler un paradoxe. Il s’agit du plus grand des 20 acides aminés. Sa chaîne latérale est un groupe indole, une structure aromatique avec un anneau binucléaire. De plus, la voie de biosynthèse nécessaire pour le produire est la plus complexe et la plus coûteuse en énergie de tous les acides aminés. Pour toutes ces raisons de taille et de complexité chimique, le tryptophane est largement considéré, dans le modèle actuel, comme le tout dernier des 20 acides aminés à avoir évolué. Son apparition tardive semblait parfaitement logique.

Pourtant, l’équipe de l’Université de l’Arizona a découvert que le tryptophane apparaissait de manière proéminente dans les séquences protéiques les plus anciennes qu’ils ont analysées, celles qui précèdent LUCA lui-même. Les séquences qui s’étaient déjà diversifiées en de multiples copies distinctes dans LUCA étaient censées être enrichies en acides aminés précoces et appauvries en acides aminés tardifs. Étonnamment, ces séquences plus anciennes ont montré un modèle différent : elles étaient significativement moins appauvries en tryptophane et en tyrosine, et enrichies, plutôt qu’appauvries, en phénylalanine. (Dans un tout autre registre d’exploration scientifique, le document source propose aussi de lire davantage sur le fait que certains insulaires du Pacifique possèdent un ADN qui n’est lié à aucun ancêtre humain connu).

Ces résultats sont compatibles avec l’idée qu’au moins certaines de ces séquences sont antérieures au code génétique actuel. L’implication majeure est que le tryptophane n’a peut-être pas été un ajout tardif à tous les codes génétiques, mais seulement à celui qui a finalement gagné et est devenu universel. Cela amène à l’affirmation la plus frappante de la recherche sur le plan conceptuel : le code génétique que chaque être vivant utilise aujourd’hui n’est pas l’original. Il a probablement succédé à d’anciens codes disparus qui utilisaient un vocabulaire d’acides aminés différent, favorisant potentiellement les acides aromatiques, que le code moderne a ensuite relégués au statut d’ajout tardif car ils étaient coûteux et complexes à synthétiser. LUCA lui-même aurait ainsi hérité d’une partie de sa boîte à outils moléculaire d’organismes prédécesseurs fonctionnant avec un code totalement distinct.

Implications pour l’astrobiologie et la recherche future

Les retombées de cette réécriture du passé dépassent largement les frontières de notre seule planète. Dante Lauretta, co-auteur de l’étude et professeur de sciences planétaires et de cosmochimie au Lunar and Planetary Laboratory de l’Université de l’Arizona, souligne que la nature riche en soufre de la vie primitive offre des perspectives cruciales pour l’astrobiologie. Il note que « sur des mondes comme Mars, Encelade et Europe, où les composés soufrés sont fréquents, cela pourrait informer notre recherche de vie en mettant en évidence des cycles biogéochimiques ou des métabolismes microbiens analogues. » Ces données permettent de mieux évaluer l’habitabilité potentielle et les biosignatures d’environnements extraterrestres.

La mention d’Encelade, la lune glacée de Saturne, est particulièrement pertinente. Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA a rapporté que les données de la sonde Cassini ont révélé des composés organiques fraîchement éjectés de l’océan souterrain d’Encelade. Associés à des composés aromatiques contenant de l’azote et de l’oxygène, ces éléments peuvent former les blocs de construction nécessaires pour soutenir des réactions chimiques menant à une chimie organique plus complexe. Le pH élevé de l’océan d’Encelade est interprété comme une conséquence de la serpentinisation de la roche chondritique, générant de l’hydrogène gazeux, une source d’énergie géochimique capable de soutenir la synthèse de molécules organiques. Des recherches publiées dans Astrobiology ont montré que la chimie du panache actif au pôle sud d’Encelade indique des conditions apparemment compatibles avec la vie, avec une activité hydrothermale suffisante pour soutenir la synthèse d’acides aminés, qu’elle soit abiotique ou biotique. Si les anciens codes génétiques sur Terre pouvaient utiliser des acides aminés aromatiques comme le tryptophane, et si ces composés peuvent se former à l’interface eau-roche d’une lune comme Encelade, alors les découvertes de l’équipe de l’Arizona ont discrètement élargi la fenêtre où la chimie pourrait se muer en biologie dans le système solaire.

En définitive, cette recherche publiée dans PNAS en décembre 2024 ne balaie pas tout ce que l’on sait sur l’origine de la vie. Elle révèle plutôt une faille méthodologique significative dans un cadre qui a guidé la science pendant des décennies. Les leçons centrales sont essentielles : ce qui se passe dans un ballon de laboratoire ne reflète pas nécessairement ce qui s’est produit à l’intérieur des premières cellules. Les acides aminés riches en soufre, comme les composés aromatiques, méritent une attention bien plus grande que celle qu’ils ont reçue historiquement, que ce soit au fond des océans terrestres ou sous la glace d’Encelade. L’univers n’a pas nécessairement suivi la recette de nos manuels scolaires. L’histoire écrite par la vie il y a quatre milliards d’années ne s’est pas effacée, elle a simplement été enfouie sous les couches du temps, et les chercheurs apprennent tout juste à la lire à nouveau. Le domaine de l’origine de la vie n’est pas figé, et cela modifie fondamentalement les endroits où les scientifiques chercheront demain, et ce qu’ils espéreront y trouver.

prompt image: IMAGE_PROMPT: Photographie documentaire 8K de la surface glacée et fissurée de la lune Encelade dans l’espace sombre, avec des geysers projetant de la matière brillante dans le vide spatial. Éclairage stellaire réaliste.

Créé par des humains, assisté par IA.