La synthèse de ribonucléotides pyrimidiques actifs dans des conditions prébiotiques plausibles.
Une étape essentielle dans le développement de la vie sur terre a été l'apparition de molécules portant de l'information. Selon l'hypothèse du monde d'ARN[1], ces premières molécules étaient des ARN, cependant les différentes expériences qui tentaient de prouver cette hypothèse ont échoué. Bien qu'il ait déjà été prouvé que de l'ARN peut se former à partir de ribonucléotides activés[2], il n'a jamais été montré comment ces ribonucléotides peuvent se former à partir de leurs composants de base. En effet il est difficile de former du ribose et encore plus difficile d'y ajouter des nucléobases, particulièrement dans le cas des purines. Les auteurs ont tenté d'identifier au travers de réactions chimique une voie de synthèse probable pour les pyrimidines qui soit réalisable dans des conditions prébiotiques. Pour cela ils ont essayé de provoquer différentes réactions correspondant aux différentes étapes de la synthèse des molécules et ce dans différentes conditions.
Les auteurs réalisent différentes expériences chimiques dans différentes conditions pour mimer les conditions prébiotiques et tenter de synthétiser des ribonucléotides pyrimidiques. Ils reproduisent les étapes les unes après les autres. Dans un premier temps, ils se concentrent sur la réaction permettant de combiner de la cynamide (8,cf figure1) avec de la glycolaldehyde (10) dans des conditions de pH neutre. Ils s'intéressent ensuite à la réaction permettant de transformer le produit de la première expérience (11) en ajoutant de la glyceraldehyde (9) pour obtenir de l'arabinose amino-oxazoline (12). Enfin ils s'intéressent à la réaction de 12 avec du cyanoacetylene (7) permettant de former 13 qui sera phosphorylé en ribonucléotide activé.
Les auteurs montrent qu'il est possible de synthétiser des ribonucléotides en conditions prébiotiques en passant par différentes étapes. Dans un premier temps, ils montrent qu'il est possible de combiner de la cynamide (8) avec de la glycolaldehyde (10) en conditions de pH neutre et avec un ajout de phosphate inorganique. Ils montrent ensuite que la réaction suivante peut se faire même en présence du phosphate ajouté pour catalyser la première. Enfin ils montrent que le pH et la présence de phosphate jouent un rôle dans la dernière étape. En conclusion leurs résultats montrent que la synthèse prébiotique de ribonucléotides peut être prédisposée dans certaines conditions ce qui aurait spontanément permis l'apparition d'ARN à des stades précoces. Cependant certaines conditions nécessaire à cette synthèse reste difficiles à envisager mais pourrait s'expliquer par des épisodes de réchauffement, déshydratation progressive, refroidissement puis réhydratation accompagné d'irradiation aux UV.
Les auteurs ont tenté de réaliser les expériences dans des conditions les plus proche possible des conditions prébiotiques à l'origine de la terre. En effet, bien que certaines étapes soient assez lentes, ils n'ont pas ajouté de catalyseurs qui n'aurait pas été présent dans des conditions prébiotiques.
Cet article permet de renforcer la théorie du monde d'ARN en donnant une voie de synthèse réalisable en condition prébiotique pour former des ribonucléotides et donc de l'ARN. Bien que cela ne prouve en rien que l'ARN ait été la première molécule capable d'auto-réplication, on peut tout de même affirmer qu'il était possible de créer de l'ARN aux origines de la terre. Sachant qu'il existe des ribozymes capable d'auto-réplication, on peut maintenant facilement supposer que c'était le cas à cette époque et donc que ces molécules seraient à l'origine de la vie telle que nous la connaissons actuellement.
L'article reste assez difficile à comprendre car il détail de nombreuses réactions chimiques complexes. Il faut avoir de bonnes connaissances en chimies pour comprendre les réactions qui permettent de passer d'une molécule à l'autre.
Schéma représentant les étapes et molécules intermédiaires permettant la synthèse de ribonucléotides pyrimidiques. On suppose que la molécule 1 est préexistante. Les flèches bleues représentant les échecs pour assembler la cytosine (3) et le ribose(4). Les flèches vertes représentent la nouvelle voie de synthèse proposée par les auteurs.
source :Powner, M. W., Gerland, B., & Sutherland, J. D. (2009). Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature, 459(7244), 239-242.
At some stage in the origin of life, an informational polymer must have arisen by purely chemical means. According to one version of the ‘RNA world’ hypothesis this polymer was RNA, but attempts to provide experimental support for this have failed. In particular although there has been some success demonstrating that ‘activated’ ribonucleotides can polymerize to form RNA, it is far from obvious how such ribonucleotides could have formed from their constituent parts (ribose and nucleobases). Ribose is difficult to form selectively, and the addition of nucleobases to ribose is inefficient in the case of purines and does not occur at all in the case of the canonical pyrimidines. Here we show that activated pyrimidine ribonucleotides can be formed in a short sequence that bypasses free ribose and the nucleobases, and instead proceeds through arabinose amino-oxazoline and anhydronucleoside intermediates. The starting materials for the synthesis—cyanamide, cyanoacetylene, glycolaldehyde, glyceraldehyde and inorganic phosphate—are plausible prebiotic feedstock molecules, and the conditions of the synthesis are consistent with potential early-Earth geochemical models. Although inorganic phosphate is only incorporated into the nucleotides at a late stage of the sequence, its presence from the start is essential as it controls three reactions in the earlier stages by acting as a general acid/base catalyst, a nucleophilic catalyst, a pH buffer and a chemical buffer. For prebiotic reaction sequences, our results highlight the importance of working with mixed chemical systems in which reactants for a particular reaction step can also control other steps.
