Le magnétisme a peut-être donné à la vie son asymétrie moléculaire | Magazine Quanta

En 1848, alors que Louis Pasteur était un jeune chimiste encore loin de découvrir comment stériliser le lait, il découvrit quelque chose de particulier à propos des cristaux qui se formaient accidentellement lorsqu'un chimiste industriel faisait bouillir du vin trop longtemps. La moitié des cristaux étaient de l’acide tartrique, un sel industriellement utile qui poussait naturellement sur les parois des tonneaux de vin. Les autres cristaux avaient exactement la même forme et la même symétrie, mais une face était orientée dans la direction opposée.

La différence était si frappante que Pasteur pouvait séparer les cristaux sous une loupe avec une pince à épiler. «Ils sont les uns par rapport aux autres ce qu'est une image, dans un miroir, par rapport à la chose réelle», écrivait-il dans un article cette année-là.

Sans le savoir, Pasteur avait découvert, dans la lie cristallisée de ce vin, l'un des mystères les plus profonds sur les origines de la vie sur Terre.

Ce qu’il voyait était un mélange de molécules d’acide tartrique qui avaient des compositions atomiques identiques et des dispositions en miroir de ces atomes dans l’espace. Ils avaient la propriété appelée plus tard « chiralité » d'après le mot grec signifiant « main » : tout comme nos mains gauche et droite sont symétriquement opposées l'une à l'autre, les versions gauche et droite (ou énantiomères) des molécules d'acide tartrique sont distincte et sans équivalent.

La signification de l'observation de Pasteur allait au-delà de la découverte de la chiralité : il y avait aussi la remarquable raison pour laquelle il la voyait. Les cristaux synthétiques étaient un mélange d’énantiomères de l’acide tartrique car le processus d’ébullition permettait aux versions gauchers et droites de se former en nombre égal. Mais dans les cristaux naturels des fûts de vin, toutes les molécules d’acide tartrique étaient droites – parce que les raisins utilisés pour le vin, cueillis sur des vignes vivantes, ne produisaient que cet énantiomère.

La chiralité est une signature de la vie telle que nous la connaissons. À maintes reprises, les biochimistes ont découvert que lorsque des cellules vivantes utilisent des molécules chirales, elles utilisent exclusivement une seule chiralité. Les sucres qui composent l’ADN, par exemple, sont tous droitiers. Les acides aminés qui composent les protéines sont tous gauchers. Si les mauvais énantiomères se retrouvent dans les produits pharmaceutiques, les effets peuvent parfois être toxiques, voire mortels.

Un événement ou une série d’événements au début de l’histoire de la vie a dû « briser le miroir », comme le disent les biochimistes, projetant la vie dans une asymétrie moléculaire. Les scientifiques ont débattu des raisons pour lesquelles la vie est devenue homochirale et si cela était nécessaire ou si c'était un pur hasard. Les préférences chirales ont-elles été imprimées dès le début de la vie par des échantillons biaisés de molécules arrivant de l'espace, ou ont-elles évolué d'une manière ou d'une autre à partir de mélanges qui étaient initialement composés à parts égales de droitiers et de gauchers ?

"Les scientifiques ont été mystifiés par cette observation", a déclaré Soumitra Athavale, professeur adjoint de chimie organique à l'Université de Californie à Los Angeles. «Ils ont fait toutes sortes de propositions au fil des années, mais il est difficile de proposer des propositions réellement pertinentes sur le plan géologique.» De plus, alors que de nombreuses théories pouvaient expliquer pourquoi un type de molécule aurait pu devenir homochirale, aucune d’entre elles n’expliquait pourquoi des réseaux entiers de biomolécules le faisaient.

Récemment, un groupe de l’Université Harvard a publié une série d’articles présentant une solution intrigante sur la façon dont l’homochiralité de la vie est apparue. Ils suggèrent que les surfaces magnétiques des minéraux des plans d'eau de la Terre primordiale, chargées par le champ magnétique de la planète, auraient pu servir d'« agents chiraux » attirant certaines formes de molécules plus que d'autres, déclenchant un processus qui amplifiait la chiralité de molécules biologiques, depuis les précurseurs d’ARN jusqu’aux protéines et au-delà. Le mécanisme proposé expliquerait comment un biais dans la composition de certaines molécules aurait pu se propager vers l’extérieur pour créer un vaste réseau de chimie chirale soutenant la vie.

Ce n'est pas la seule hypothèse plausible, mais « c'est l'une des plus intéressantes car elle relie la géophysique à la géochimie, à la chimie prébiotique, [et] finalement à la biochimie », a déclaré Gérald Joyce, biochimiste et président du Salk Institute qui n’a pas participé à l’étude. Il est également impressionné par le fait que l'hypothèse soit étayée par des « expériences réelles » et qu'« ils le font dans des conditions réalistes ».

L'effet CISS

Les racines de la nouvelle théorie sur l'homochiralité remontent à près d'un quart de siècle, à l'époque où Ron Naaman, professeur de physique chimique à l'Institut des sciences Weizmann en Israël, et son équipe ont découvert un effet critique des molécules chirales. Leurs travaux se sont concentrés sur le fait que les électrons ont deux propriétés clés : ils portent une charge négative et ils ont un « spin », une propriété quantique analogue à la rotation intrinsèque dans le sens horaire ou antihoraire. Lorsque des molécules interagissent avec d’autres molécules ou surfaces, leurs électrons peuvent se redistribuer, polarisant les molécules en créant une charge négative à leur destination et une charge positive à leur point de départ.

Naaman et son équipe ont découvert que les molécules chirales filtrent les électrons en fonction de la direction de leur spin. Les électrons ayant une orientation de spin se déplaceront plus efficacement à travers une molécule chirale dans une direction que dans l’autre. Les électrons de spin opposé se déplacent plus librement dans l’autre sens.

Pour comprendre pourquoi, imaginez que vous lancez un frisbee qui dépasse du mur d'un couloir. Si le frisbee heurte le mur de droite, il ne rebondira vers l'avant que s'il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ; sinon, il rebondira en arrière. L’inverse se produira si vous frappez le frisbee contre le mur de gauche. De même, les molécules chirales « diffusent les électrons selon leur sens de rotation », a expliqué Naaman. Lui et son équipe ont nommé ce phénomène l’effet de sélectivité de spin induit par chiral (CISS).

En raison de cette diffusion, les électrons avec un spin donné finissent par s'agréger sur un pôle d'une molécule chirale (et les versions droite et gauche de la molécule rassemblent des spins opposés sur leurs pôles respectifs). Mais cette redistribution des spins affecte la manière dont les molécules chirales interagissent avec les surfaces magnétiques, car les électrons tournant dans des directions opposées s’attirent et ceux qui tournent dans la même direction se repoussent.

Par conséquent, lorsqu’une molécule chirale s’approche d’une surface magnétique, elle sera rapprochée si la molécule et la surface ont des biais de spin opposés. Si leurs tours correspondent, ils se repousseront. (Comme d'autres interactions chimiques se produisent également, la molécule ne peut pas simplement se retourner pour se réaligner.) Ainsi, une surface magnétique peut agir comme un agent chiral, interagissant préférentiellement avec un seul énantiomère d'un composé.

En 2011, en collaboration avec une équipe de l'Université de Münster en Allemagne, Naaman et son équipe mesuré la rotation d'électrons lors de leur déplacement à travers l'ADN double brin, confirmant que l'effet CISS est à la fois réel et puissant.

C'est à ce moment-là que la recherche sur cet effet et ses applications possibles « a commencé à prendre son essor », a déclaré Naaman. Lui et son équipe, par exemple, ont développé plusieurs façons d'utiliser l'effet CISS pour éliminer les impuretés des biomédicaments, ou pour exclure les mauvais énantiomères des médicaments afin de prévenir les effets secondaires majeurs. Ils ont également exploré comment l'effet CISS pourrait aider à expliquer le mécanismes de l'anesthésie.

Mais ils n’ont commencé à travailler sérieusement sur l’idée selon laquelle l’effet CISS joue un rôle dans la montée de l’homochiralité biologique qu’après avoir été invités à collaborer sur une hypothèse par une équipe de Harvard dirigée par l’astronome. Dimitar Sasselov et son étudiant diplômé S. Furkan Öztürk.

Une perspective physique

Ozturk, le jeune auteur principal des articles récents, a découvert le problème de l'homochiralité en 2020 alors qu'il était étudiant diplômé en physique à Harvard. Mécontent de ses recherches sur les simulations quantiques utilisant des atomes ultrafroids, il feuilleta un magazine scientifique détaillant 125 des plus grands mystères du monde et découvrit l'homochiralité.

« Cela ressemblait vraiment à une question de physique, car elle concerne les symétries », a-t-il déclaré. Après avoir contacté Sasselov, directeur de l'Initiative Origins of Life de Harvard et qui s'intéressait déjà à la question de l'homochiralité, Ozturk a décidé de devenir étudiant dans son laboratoire.

Ozturk et Sasselov ont rapidement eu une idée basée sur l'effet CISS. Ils ont imaginé un cadre primordial comme un lac peu profond où se trouvaient des surfaces pleines de minéraux magnétiques et où l'eau contenait un mélange de précurseurs chiraux de nucléotides. Ils ont émis l’hypothèse que la lumière ultraviolette aurait pu éjecter de nombreux électrons des surfaces magnétiques et que beaucoup de ces électrons auraient eu le même spin. Les électrons éjectés pourraient alors avoir interagi préférentiellement avec des énantiomères spécifiques, et les réactions chimiques résultantes pourraient alors avoir assemblé préférentiellement des précurseurs d’ARN droitiers.

En avril 2022, Ozturk s'est rendu au laboratoire de Naaman en Israël, enthousiasmé par la perspective de tester leur hypothèse. Son enthousiasme fut de courte durée. Au cours du mois suivant, alors qu'il travaillait avec Naaman, l'idée s'est effondrée. Cela « n’a pas fonctionné », a déclaré Ozturk, et il est donc rentré chez lui, abattu.

Mais Ozturk a eu une autre idée. Et si l’effet CISS ne se manifestait pas sous la forme d’un processus chimique mais physique ?

Le groupe de Naaman avait montré qu'ils pouvaient utiliser des surfaces magnétiques pour cristalliser préférentiellement les énantiomères. Et la cristallisation serait le moyen le plus simple d’assembler des collections purifiées d’énantiomères. Ozturk l'a mentionné à Jean Sutherland, leur collaborateur au laboratoire MRC de biologie moléculaire au Royaume-Uni. « Et j'ai dit : abandonnez tout ce qui concerne les électrons et concentrez-vous uniquement sur la cristallisation », a déclaré Sutherland.

Sutherland était enthousiasmé par l'aspect cristallisation parce que lui et son équipe avaient déjà découvert indépendamment qu'un précurseur de l'ARN appelé ribo-aminooxazoline (RAO) pouvait synthétiser deux des quatre éléments constitutifs de l'ARN. RAO « cristallise également magnifiquement », a déclaré Sutherland. Une fois qu'un germe de cristal se forme à partir de l'énantiomère attiré vers la surface, le cristal se développe préférentiellement en incorporant davantage du même énantiomère.

Ozturk se souvient que Sutherland lui avait dit que la partie serait terminée si l'idée de l'effet CISS fonctionnait. "Parce que c'était si simple", a déclaré Ozturk. "Il s'agissait d'une molécule qui était si centrale à l'origine de la chimie de la vie que si vous parvenez à rendre cette molécule homochirale, vous pouvez rendre l'ensemble du système homochiral."

Ozturk a commencé à travailler dans le laboratoire de Harvard. Il a placé des surfaces de magnétite sur une boîte de Pétri et l'a remplie d'une solution contenant des quantités égales de molécules RAO gauchers et droitiers. Il a ensuite posé la coupelle sur un aimant, a mis l'expérience au réfrigérateur et a attendu l'apparition des premiers cristaux. Au début, l’équipe a découvert que 60 % des cristaux provenaient d’une seule main. Lorsqu’ils ont répété le processus, leurs cristaux avaient à 100 % la même chiralité.

Comme ils l'ont rapporté dans une étude publiée en juin dans Science Advances, s’ils magnétisaient la surface dans un sens, ils créaient des cristaux purement droitiers ; s'ils le magnétisaient dans l'autre sens, les cristaux étaient purement gauchers. "J'ai été très surpris, car je connais très bien les expériences qui ne fonctionnent pas", a déclaré Ozturk. Mais celui-ci « a fonctionné à merveille ».

Derrière son bureau, Ozturk garde la bouteille de champagne vide que Sasselov et l'équipe ont partagée lors d'un dîner de fête.

Multiplier et amplifier

Mais ils avaient encore un problème majeur : l’aimant qu’ils utilisaient dans leur expérience était environ 6,500 XNUMX fois plus puissant que le champ magnétique terrestre.

Ozturk est donc retourné à l'Institut Weizmann en novembre dernier, et lui et Naaman ont ensuite travaillé sur une expérience de suivi dans laquelle ils n'ont pas utilisé du tout de champ magnétique externe. Au lieu de cela, ils ont découvert que lorsque les molécules chirales étaient adsorbées sur les surfaces magnétiques, elles créaient un champ magnétique hautement local sur la surface qui était jusqu'à 50 fois plus puissant que le champ magnétique terrestre. Leurs conclusions ont été acceptées par une revue à comité de lecture mais n'ont pas encore été publiées.

"Vous forcez le quartier à être magnétisé, ce qui facilite encore plus la formation des cristaux", a déclaré Joyce. Cet effet auto-entretenu rend le scénario plausible, a-t-il ajouté.

Athavale est d'accord. Le fait que vous n'ayez pas besoin d'un champ magnétique élevé pour que l'effet CISS se produise est « vraiment agréable, car vous avez maintenant vu un environnement géologique possible », a-t-il déclaré.

Mais la véritable clé pour créer une homochiralité est d’examiner comment l’effet aurait pu être amplifié à travers un réseau de molécules en interaction. "L'aspect le plus important dans tout cela n'est pas que nous ayons réussi à trouver un autre moyen d'obtenir un produit chiral", a déclaré Sasselov, mais que son groupe a trouvé un moyen de créer un réseau homochiral.

Dans un article figurant en couverture de Le Journal de Physique Chimique en août, Ozturk, Sasselov et Sutherland ont proposé un modèle sur la manière dont les informations chirales pourraient se propager à travers un réseau prébiotique. Sutherland et son groupe avaient déjà montré que les analogues de molécules d'ARN de transfert droitières – qui se lient aux acides aminés et les amènent au ribosome pour fabriquer des protéines – se lient aux acides aminés gauchers 10 fois plus rapidement qu'aux acides aminés droitiers. La découverte suggère que l’ARN chiral fabrique préférentiellement des protéines de chiralité opposée, comme on le voit dans la nature. Comme l’écrivent les chercheurs dans l’article : « Par conséquent, le problème de l’homochiralité biologique peut être réduit à garantir qu’un seul précurseur d’ARN commun (par exemple, RAO) puisse être rendu homochiral. »

L'étude n'a pas expliqué directement pourquoi les nucléotides préférés de la vie sont droitiers et ses acides aminés sont gauchers, a déclaré Ozturk. Mais ces nouvelles découvertes suggèrent que le facteur déterminant était la magnétisation induite par le champ terrestre. Athavale a noté que même si le processus de cristallisation se produisait dans 100 lacs primordiaux, le champ magnétique terrestre garantirait qu'ils produiraient tous des précurseurs avec la même main plutôt qu'un mélange.

Joyce a noté qu'il y aurait une « petite torsion » si le champ magnétique donnait un tel biais : si la vie avait commencé dans l'hémisphère nord et favorisait les molécules d'une seule main, alors elle aurait montré une direction opposée si elle était apparue dans l'hémisphère sud.

La propagation de la chiralité entre familles de molécules reste encore très hypothétique, note Athavale, même s'il est bon de faire réfléchir. Sasselov est d'accord. "L'idée de cet article est de motiver les gens à faire ces expériences", a-t-il déclaré.

Wentao Ma, chercheur sur les origines de la vie à l’Université de Wuhan en Chine, a déclaré que les nouveaux articles marquent des « progrès intéressants ». Mais il lui faudrait voir l’effet CISS conduire à la polymérisation de l’ARN pour y voir une réponse complète. "S'ils parviennent à obtenir ce résultat, je pense que nous ne sommes pas loin de la solution", a-t-il déclaré.

"J'aime vraiment l'effet CISS", a déclaré Noémie Globus, un astrophysicien qui travaille sur le problème de l'homochiralité. Ce qui serait plus convaincant, dit-elle, serait que les chercheurs vérifient si les météorites contenant un excès d'acides aminés avec une sensibilité particulière (qui ont déjà été trouvées) contiennent également un excès de particules magnétiques. Elle a également noté que différents mécanismes théorisés auraient pu créer une homochiralité dans différentes molécules.

Jeffrey Bada, professeur émérite à la Scripps Institution of Oceanography de l'Université de Californie à San Diego, est sceptique quant à cette idée. Il ne croit pas que l'ARN ait pu être synthétisé dans des conditions primordiales en tant que première molécule auto-réplicatrice. « Personne n'a fabriqué d'ARN dans un contexte prébiotique », a-t-il déclaré, car la stabilité de la molécule pose trop de problèmes.

L'équipe de Sutherland travaille toujours à montrer que les deux autres types de nucléotides peuvent être fabriqués à partir de la molécule précurseur de l'ARN. "Je pense que nous sommes sacrément proches", a déclaré Sutherland. "Mais mon groupe vous dira que je dis cela depuis 22 ans."

Que l’effet CISS représente la solution, une partie de la solution ou pas de solution du tout, les prochaines étapes sont évidentes pour le tester. "Il y a tous les aspects d'une belle hypothèse dans laquelle vous proposez quelque chose de créatif, quelque chose de réalisable, puis quelque chose qui peut finalement être testé", a déclaré Athavale. La prochaine étape la plus convaincante, pense-t-il, serait de montrer des preuves géologiques que le processus aurait pu se produire en dehors du laboratoire.

Lors d'un appel Zoom, Ozturk a brandi une roche noire et plate qu'il avait ramassée lors d'un voyage en Australie, un endroit rempli de roches de fer magnétiques sur lesquelles il espère reproduire ses expériences. Il souhaite également rendre les futurs tests de cette idée plus dynamiques : les lacs primordiaux où, selon lui, les premières molécules se sont formées auraient eu des courants et des flux de matière, ainsi que des cycles naturels « humide-sec » entraînés par les pluies et les températures élevées, qui permettrait aux cristaux de se former et de se dissoudre, de se former et de se dissoudre.

Note de la rédaction: Sasselov et son groupe, ainsi que Joyce et Sutherland, ont reçu un financement du Fondation Simons, qui finance également ce revue éditorialement indépendante. Les décisions de financement de la Fondation Simons n'ont aucune influence sur notre couverture.