Des chercheurs du Département de biochimie élucident deux mystères : l'environnement de LUCA et l'assemblage du ribosome
LUCA, c'est le nom donné au dernier ancêtre qui soit commun à tous les êtres vivants, de la bactérie à l'humain en passant par les dinosaures et les marguerites. Le nom est en fait l'acronyme de Last Universal Common Ancestor, un organisme pour l'instant théorique qui fait l'objet de travaux en biochimie depuis le milieu des années 90.
Une équipe de chercheurs de l'Université de Lyon, du Laboratoire d'informatique, de robotique et de microélectronique de Montpellier et de l'Université de Montréal vient de préciser quelle aurait pu être la composition de cet organisme et dans quel environnement il a pu évoluer. Les résultats de ses travaux étaient publiés dans la revue Nature en décembre dernier.
De l'être humain à la bactérie
L'approche retenue par cette équipe dont fait partie Nicolas Lartillot, professeur au Département de biochimie de l'UdeM, consiste à comparer les génomes de deux espèces afin de faire apparaitre leurs gènes communs et qui se trouvaient donc chez l'espèce ancestrale qui leur a donné naissance.
«Nous avons plus de 98 % de gènes en commun avec le chimpanzé, ce qui veut dire que ces gènes étaient déjà présents chez notre ancêtre commun, illustre le professeur. On peut ainsi remonter jusqu'à la souris, de qui notre lointaine lignée s'est détachée il y a 60 millions d'années, jusqu'à la mouche, avec qui nous avons un ancêtre vieux de 650 millions d'années, et ainsi de suite jusqu'aux bactéries.»
À partir de ce bagage génétique commun, les chercheurs en arrivent à avoir une bonne idée des protéines qui composaient les premières formes de vie. L'horizon jusqu'auquel ils remontent se situe à 3,8 milliards d'années, soit la date qui fait actuellement consensus quant à l'apparition de la vie.
La principale découverte des équipes de Nicolas Lartillot et Manolo Gouy (Université de Lyon) est d'avoir réussi à déterminer la température du milieu où les organismes de la famille de LUCA se seraient développés. «Comme les espèces, les protéines n'évoluent pas toutes de la même manière et subissent une pression de sélection par leur environnement, mentionne le professeur Lartillot. De ce fait, il existe une corrélation entre la température et la composition des protéines. Connaissant cette composition, nous pouvons estimer la température du milieu où ces protéines ont évolué.»
Cette corrélation est due aux forces à l'œuvre dans l'enroulement des protéines sur elles-mêmes, notamment la force électrostatique et la force hydrophobe. «Au-dessus de 60 °C, la force hydrophobe agit beaucoup moins ; le processus d'adaptation des organismes à ces hautes températures amène les protéines à s'enrichir en acides aminés chargés électriquement de préférence aux acides aminés hydrophobes.»
Microenvironnement?
Le type de protéines dont LUCA était composé nécessitaient une température se situant entre 30 et 50 °C. «C'est là notre principal résultat et ce fut une grande surprise pour tous puisque les données de la géologie indiquent que la température de l'atmosphère se situait à cette époque entre 90 et 100 °C.»
Qui est dans l'erreur? Selon M. Lartillot, si la communauté scientifique s'entend pour faire apparaitre la vie il y a 3,8 milliards d'années, le consensus est moins solide relativement à la température qui régnait sur la Terre. De plus, LUCA pourrait être apparu dans un microenvironnement moins chaud que le reste de la planète. «Mais nos résultats ne demandent qu'à être réfutés», déclare-t-il.
Les données de cette étude montrent par ailleurs que la température terrestre n'a pas évolué de façon linéaire du très chaud vers le plus froid; s'il faut se fier à l'histoire des protéines, il y a eu des avancées et des reculs de la température et toutes les espèces n'ont pas été touchées par les mêmes changements. Cela réconcilie diverses données apparemment contradictoires selon un modèle de refroidissement linéaire.
Un organisme à ARN
Ces résultats viennent en outre étayer l'hypothèse voulant que les premières formes de vie aient été des organismes composés d'acide ribonucléique (ARN) plutôt que d'acide désoxyribonucléique (ADN).
«Dans les organismes actuels, l'ADN constitue le dépôt du matériel génétique alors que l'ARN est un intermédiaire entre l'information génétique et la protéine, explique le professeur. L'ARN est au centre des fonctions cellulaires fondamentales et il est possible qu'il soit apparu avant l'ADN, qui pourrait être une innovation des virus pour protéger leur bagage génétique. Cette innovation a ensuite pu être reprise par les ancêtres de LUCA, dans la mesure où l'ADN conférait d'autres avantages, en particulier une plus grande résistance à la chaleur. Une fois ces avantages retenus par la sélection naturelle, les organismes ont alors pu coloniser d'autres milieux plus chauds. Dans cette hypothèse, l'ARN des premiers organismes aurait été à la fois porteur de l'information génétique et promoteur des protéines.»
L'hypothèse rejoint également les travaux d'une autre équipe du Département de chimie qui a reconstitué l'histoire du ribosome, une molécule composée d'ARN et qui est essentielle à l'apparition de la vie (voir l'article ci-contre).
Selon Nicolas Lartillot, les résultats auxquels son équipe est parvenue ont fait la preuve de l'efficacité de la méthode retenue, une approche qu'il entend maintenant utiliser à des échelles plus fines afin de découvrir les conditions environnementales, la taille des populations et la longévité d'espèces particulières à travers les âges évolutifs.
Daniel Baril
Sur le Web
Avant la vie, le ribosome
Aussi rudimentaire qu'ait pu être LUCA, un assemblage moléculaire antérieur à l'apparition des organismes vivants était nécessaire: le ribosome. Il s'agit d'une molécule extrêmement complexe qu'on trouve dans toutes les cellules vivantes et qui synthétise les protéines à partir de l'information contenue dans l'ARN messager.
Le «protoribosome» à partir duquel s'est construit le ribosome actuel est nécessairement antérieur à l'apparition des protéines et remonterait à près de quatre milliards d'années. Alors que l'on considérait que toute trace de l'évolution des formes ancestrales du ribosome avait disparu, Sergey Steinberg, professeur au Département de biochimie, et son étudiant au doctorat Konstantin Bokov viennent de montrer que son assemblage répond à des lois structurelles chimiques et que cette molécule n'a pour ainsi dire pas changé depuis qu'elle a engendré la vie. Les résultats de leurs travaux sont parus dans le numéro du 19 février de Nature.
Étudiant le ribosome depuis plusieurs années, le professeur Steinberg en est arrivé à comprendre que les multiples replis de la molécule sur elle-même étaient structurés à la manière de pelures d'ognon. Il a procédé au retrait successif des boucles qui pouvaient être enlevées sans porter atteinte à la structure fonctionnelle du ribosome – et qui étaient donc d'origine plus récente – pour parvenir à ce qui constitue le cœur ancestral de la molécule.
Alors que la forme achevée du ribosome compte plus de 4000 nucléotides, le cœur ancestral n'en comptait qu'une centaine. Ces nucléotides, très près chimiquement de ceux de l'ADN, se sont formés dans la «soupe originelle» de la Terre, puis se sont assemblés spontanément selon une mécanique structurelle simple et dans un ordre très précis.
Ces observations ont conduit les deux chercheurs à proposer une nouvelle théorie de l'autoassemblage moléculaire: le ribosome moderne s'est construit par un processus d'excision de la chaine moléculaire et d'insertion de nouveaux morceaux d'ARN, processus appelé épissage séquentiel, qui a mené du protoribosome au ribosome actuel.
Une fois cette chaine de nucléotides en place, les protéines ont fait le reste et la matière animée s'est formée. C'est à ce moment que commence l'histoire de LUCA.
Daniel Baril
