Avant de lire cet article, il peut être utile de s'informer sur deux notions abordées ici, et décrites dans d'autres articles de ce site :

• la chiralité, les molécules asymétriques
• la sélectivité de spin électronique induite par la chiralité

En 1848, le chimiste français Louis Pasteur a découvert que certaines molécules essentielles à la vie existent sous forme d’images dans un miroir, un peu comme nos mains gauche et droite. Ils sont les isomères gauche et droit d’une molécule. Aujourd'hui, nous savons que la biologie ne choisit qu'une seule de ces formes asymétriques qu’on appelle "chirales": l'ADN, l'ARN et leurs éléments constitutifs sont tous des isomères droits, tandis que les acides aminés et les protéines sont tous des isomères gauches. Pasteur, qui a vu des indices de cette sélectivité, ou "homochiralité", a pensé que les champs magnétiques pourraient en quelque sorte l'expliquer, mais son origine est restée l'un des grands mystères de la biologie. Maintenant, il s'avère que Pasteur était peut-être sur une bonne voie.

Dans trois nouveaux articles, des chercheurs suggèrent que les minéraux magnétiques communs sur la Terre primitive auraient pu provoquer l'accumulation de biomolécules clés à leur surface sous une seule forme isomérique, déclenchant une information positive qui a continué à favoriser la même forme. "C'est une véritable percée", déclare Jack Szostak, un chimiste de l'origine de la vie à l'Université de Chicago qui n'a pas participé aux nouveaux travaux. « L’homochiralité est essentielle pour que la biologie puisse commencer, et c'est une solution possible - et je dirais très probable -. »

Les réactions chimiques sont généralement symétriques, produisant des quantités égales de molécules droites et gauches. Mais la vie exige de la sélectivité : seul l'ADN droit, par exemple, a la bonne torsion pour interagir correctement avec d'autres molécules chirales. Pour obtenir la vie, « vous devez casser le miroir, sinon vous ne pouvez pas le supprimer », explique Gerald Joyce, chimiste des origines de la vie et président du Salk Institute for Biological Studies.

Au cours du siècle dernier, les chercheurs ont proposé divers mécanismes pour déséquilibrer la symétrie des premières biomolécules, notamment les rayons cosmiques et la lumière polarisée. Les deux peuvent provoquer un déséquilibre initial favorisant les molécules droites ou gauches, mais ils n'expliquent pas directement comment ce déséquilibre initial a été amplifié pour créer les grands réservoirs de molécules chirales probablement nécessaires pour fabriquer les premières cellules. Une explication qui crée un déséquilibre initial est un bon début, mais « pas suffisante », déclare Dimitar Sasselov, physicien à l'Université de Harvard et chef de file des nouveaux travaux.

Les indices d'une autre option remontent à 1999, lorsque des chercheurs dirigés par Ron Naaman, un physico-chimiste à l'Institut Weizmann des sciences, ont découvert que les électrons dans les formes chirales opposées d'une molécule avaient des types de spin différents, ce qui constitue une propriété magnétique différente. Des expériences ultérieures ont révélé que les différences de spin peuvent amener les molécules chirales à interagir différemment avec les matériaux magnétiques, dans lesquels les spins des électrons sont alignés pour créer des forces magnétiques. Par exemple, Naaman et ses collègues ont découvert que les peptides gauches (courtes chaînes d'acides aminés) pouvaient se lier à une surface magnétique tandis que les droits étaient repoussés. Mais cette découverte n'expliquait pas non plus comment le déséquilibre initial pouvait être amplifié.

Une première idée d'un mécanisme d'amplification est apparue en 2009. Des chercheurs dirigés par Matthew Powner et John Sutherland à l'Université de Manchester étudiaient les origines possibles de l'ARN, que de nombreux chercheurs pensent être un acteur central dans l'origine de la vie. Ils ont été intrigués par une molécule appelée ribo-aminooxazoline (RAO), dont ils ont découvert qu'elle pouvait réagir pour former deux des des nucléotides de l'ARN. RAO fait partie d'une classe rare de cristaux qui imposent une forme chirale unique : une fois qu'un cristal commence à se développer à partir des versions droite ou gauche de la molécule, seules les molécules ayant la même chiralité peuvent se lier à la structure. De tels cristaux, s'ils avaient commencé à se former lors d’un déséquilibre initial, auraient pu provoquer l'accumulation de RAO chiral.

Maintenant, Sasselov et ses collègues ont assemblé ces deux pièces. Ils se sont demandé si les surfaces magnétiques pouvaient favoriser une seule forme chirale de RAO. Pour le savoir, ils se sont tournés vers la magnétite, un minéral magnétique présent dans la croûte terrestre. Ils ont appliqué un fort champ magnétique externe, alignant les spins des électrons dans la magnétite et renforçant son magnétisme. Lorsqu'ils ont exposé la surface de la magnétite à une solution contenant un mélange égal de molécules de RAO droites et gauches, 60% de celles qui se sont déposées dessus étaient unilatérales. Cela a créé une graine cristalline qui a provoqué la liaison de molécules du même isomère de RAO supplémentaires, formant finalement des cristaux d'un seul isomère pur de RAO, ont rapporté les chercheurs la semaine dernière dans Science Advances. Lorsqu'ils ont inversé l'orientation du champ et répété l'expérience, des cristaux de sens opposé ont pris forme. « C’est un effet vraiment cool et un moyen de briser la symétrie », déclare Powner, maintenant à l'University College London.

Il faut toutefois prendre en considération que le champ magnétique appliqué était environ 6500 fois plus fort que le propre champ de la Terre, met en garde Noémie Globus, physicienne à l'Université de Californie à Santa Cruz, dont les propres travaux soutiennent que les rayons cosmiques sont la source du déséquilibre chiral de la vie. « Cela nécessite des conditions assez irréalistes », dit-elle.

Mais des rapports antérieurs montrent que la magnétite soumise uniquement au champ magnétique naturel de la Terre peut toujours provoquer un déséquilibre initial, bien que plus petit, favorisant un isomère de molécule chirale. Et Sasselov et ses collègues ont rapporté dans un préprint sur la plateforme arXiv du 13 avril que lorsque des cristaux chiraux de RAO purs étaient placés au-dessus de la magnétite, l'alignement des spins d'électrons dans les cristaux forçait de plus en plus de spins d'électrons dans le matériau magnétique sous-jacent à s'aligner, créant un effet retour positif. « Il s'auto-améliore et augmente la persistance du déséquilibre » favorisant une forme isomère, déclare Furkan Ozturk, membre de l'équipe, et doctorants à Harvard.

Le RAO chiral impose à son tour sa latéralité sur les blocs de construction d'ARN qu'il génère, et l'équipe de Sasselov a maintenant montré que les effets se répercutent sur d'autres molécules biologiques. Dans un rapport accepté la semaine dernière dans The Journal of Chemical Physics, ils montrent qu'une fois qu'un excès d'ARN chiral est formé, des réactions chimiques connues pourraient transmettre ce déséquilibre chiral, favorisant les acides aminés et les protéines de forme isomérique opposée et favorisant finalement d'autres molécules chirales essentielles au métabolisme cellulaire. « Il n'y a pas d’autre solution existante qui permettent d’expliquer toutes ces étapes", déclare Szostak.

La quête qui a commencé avec Pasteur n'est cependant pas tout à fait terminée. Une lacune, reconnaît Sasselov, est qu'il a été démontré que RAO ne conduisait à la synthèse que de deux des quatre nucléotides de l'ARN, la cytosine et l'uracile. Il n'est pas connu qu'il produise les deux autres, l'adénine et la guanine, bien que Sasselov affirme que ceci génère une une forte incitation à rechercher des réactions de RAO qui pourraient le permettre. S'ils le peuvent, la résolution du mystère de l’asymétrie des milieux biologiques pourrait avoir fait un grand pas en avant.