DS10 - Défi de tous les savoirs

Terre primitive - Interactions entre biomolécules et minéraux de l'hydrothermalisme océanique – PREBIOM

Rôle des surfaces minérales dans l’apparition de la vie

L’objectif du projet PREBIOM n’est certainement pas de résoudre la question complexe de l’origine de vie, mais d’explorer un volet sur lequel on peut obtenir des résultats significatifs en quelques années, à savoir la concentration des briques élémentaires de la vie tels que les acides aminés et les nucléotides jusqu’à des valeurs telles qu’elles permettre la polymérisation qui est un prérequis à la formation des proto-biopolymères de protéines et d’acides nucléiques.

Interactions entre les molécules prébiotiques et les surfaces minérales dans le contexte de l’origine de la vie.

Rôle des surfaces minérales dans la formation des premiers proto-biopolymères dans un contexte géologique terrestre Hadéen <br />La question de l’origine de la vie est vaste, y répondre nécessite d’intégrer des concepts de disciplines variées telles que la biologie, la chimie, l’astrophysique et les sciences de la Terre et des planètes. L’objectif de ce projet n’était évidemment pas de résoudre l’origine de la vie mais de cibler un aspect gérable dans le temps imparti. Il s’agit de la concentration des briques élémentaire de la vie tels que les acides aminés et les nucléotides sur les surfaces minérales à un niveau suffisant pour permettre la polymérisation, qui est une étape indispensable pour former les premiers proto-biopolymères des protéines et d’acides nucléiques. <br />Nous avons exploré expérimentalement et théoriquement la chimie à la surface de minéraux très bien caractérisés. Le projet PREBIOM (Primitive Earth Biomolecules Interacting with Oceanic Minerals) était centré sur les minéraux qui étaient présents dans l’océan Hadéen.

Caractérisation des mécanismes d’adsorption des nucléotides et des acides aminés sur les surfaces minérales
Nous avons travaillé sur une série de minéraux qui résultent de l’altération hydrothermale des péridotites, komatiites, basaltes et gabbros. Sont inclus les serpentines, le talc, la brucite, les argiles riches en fer et en magnésium telles que la nontronite, ainsi que la silice amorphe présente dans de nombreux contextes.
Un effort tout particulier a porté sur la caractérisation des propriétés physiques et chimiques des surfaces réactives des minéraux
Nous avons ensuite mesuré les isothermes d’adsorption à pression et température ambiante et mesuré quelques isothermes en fonction de la pression hydrostatique après avoir développé des réacteurs ad hoc, et aussi en fonction de la chimie de la solution aqueuse correspondant à différentes hypothèses quant à la composition chimique de l’océan primitif.
L’interprétation des isothermes d’adsorption a été complétée et validée par des analyses d’adsorption de gaz à basse pression, de spectroscopie vibrationnelle Raman et/ou infrarouge, de spectroscopie des rayons X (XANES) in situ à très haute résolution spatiale des molécules adsorbées et par des simulations numériques de dynamique moléculaire. Quand cela était possible, les adsorbats ont été désorbés et analysés par chromatographie en phase liquide (HPLC) spectrométrie de masse (ESI-MS).

Nous avons étudié l’adsorption des monomères d’ARN et d’ADN sur les minéraux qui étaient probablement abondants dans l’environnement primitif de la terre : des argiles gonflantes et des phyllosilicates non gonflants riches en Fe et Mg en suspension dans une solution aqueuse saline analogue à l’eau de mer. Nous avons montré que l’ADN s’adsorbe beaucoup plus fortement que l’ARN, et que les monomères à nucléobase guanine s’adsorbent mieux que ceux à base de cytosine. Nous proposons que les nucléotides se comportent comme des molécules homologues vis à vis de leur adsorption sur les surfaces minérales étudiées. A pH 7 et à concentration modérée, les nucléotides s’adsorbent par échange de ligand entre le groupe phosphate et les groupements hydroxyles des surfaces latérales jusqu’à leur saturation. Au dessous de pH 4, les argiles gonflantes adsorbent aussi les nucléotides par échange de cations sur leur surface basale. Aussi proposons-nous que les phyllosilicates riches en Fe et Mg adsorbent fortement les nucléotides et les concentrent environ 1000 fois par rapport au milieu ambiant. Parmi les minéraux étudiés, la nontronite présente la meilleure capacité d’adsorption et a pu joué un rôle dans la concentration et la polymérisation des nucléotides dans l’environnement primitif. Même si la salinité de l’océan primitif reste un sujet très débattu, nous montrons aussi que la capacité d’adsorption des argiles gonflantes est en fait très sensible à la concentration et à la nature du sel dans l’océan. Un océan hadéen plus riche en cations divalents que l’océan moderne aurait largement facilité d’adsorption des nucléotides sur les surfaces minérales et potentiellement favorisé leur polymérisation. Enfin, nous montrons que les acides aminés polymérisent rapidement en conditions hydrothermales sur une gamme de pression précise et que le rendement de la réaction dépend fortement de la présence de surfaces minérales catalytiques, telles que la magnétite.

L’exploration de cet aspect temporel nécessiterait un travail étroit avec les biologistes spécialistes de l’évolution moléculaire. Les résultats doivent aussi être élargis à l’interface avec les modèles thermodynamiques, afin de mieux comprendre les conditions dans lesquelles la vie a pu apparaître à moindre coût énergétique, avant de développer des mécanismes de protection cellulaire coûteux en énergie lorsque l’environnement terrestre s’est modifié significativement, et oxygéné en particulier. Il est donc essentiel de lier ces études aux progrès concernant la compréhension de l’environnement terrestre à l’Hadéen et au début de l’Archéen.

Les résultats obtenus ont conduit à la publication de 8 articles, comptabilisant plus de 35 citations à ce jour ; les résultats ont été présentés aux communautés scientifiques intéressées lors de conférences, au grand public lors de conférences en ville, auprès des élèves de lycée. Les résultats ont permis l’initiation de nouvelles collaborations, certaines soutenues par la MITI CNRS.
Trois doctorants ont travaillé sur le sujet et ont obtenu leur diplôme. Trois étudiants en master et plusieurs étudiants en licence ont également contribué au projet PREBIOM au cours de leur stage de recherche.

La question de l’origine de la vie est vaste, y répondre est difficile et nécessite d’intégrer de nombreux concepts de disciplines variées telles que la biologie, la chimie, l’astrophysique et les sciences de la Terre et des planètes. L’objectif de ce projet n’est évidemment pas de résoudre l’origine de la vie mais de cibler un aspect gérable en trois années et demi. Il s’agit de la concentration des briques élémentaire de la vie tels que les acides aminés et les nucléotides sur les surfaces minérales à un niveau suffisant pour la polymérisation, qui une étape indispensable pour former les premiers proto-biopolymères des protéines et d’acides nucléiques. Nous n’excluons pas les autres possibilités pour le développement de la Vie, mais nous allons explorer en priorité expérimentalement et théoriquement la chimie à la surface de minéraux très bien caractérisés. Le projet PREBIOM (Primitive Earth Biomolecules Interacting with Oceanic Minerals) est centré sur les minéraux qui étaient présents dans l’océan Hadéen aux conditions de pression et de température des systèmes hydrothermaux océaniques. Nous avons identifié une série de minéraux qui résultent de l’altération hydrothermale des péridotites, komatiites, basaltes et gabbros. Sont inclus les serpentines, le talc, la brucite, les argiles riches en fer et en magnésium telles que la nontronite et la saponite, les oxydes et les sulfures de fer. Nous mesurerons les isothermes d’adsorption à pression ambiante lorsqu’elles ne sont pas encore disponibles ainsi qu’en conditions hydrothermales. A notre connaissance, l’adsorption de molécules organiques n’a pas été étudiée en conditions hydrothermales alors que la synthèse hydrothermale de molécules organiques permet pourtant d’accéder à des mécanismes réactionnels plus faciles pour la condensation et la polymérisation de biomomécules. L’interprétation des isothermes d’adsorption sera complétée par des analyses in situ et ex situ des molécules adsorbées et par des calculs théoriques. L’ensemble devrait conduire à une compréhension détaillée des mécanismes réactionnels de condensation, d’adsorption et de polymérisation en conditions hydrothermales. En plus des minéraux cités ci-dessus, les isothermes d’adsorptions seront également mesurées sur de la silice haute surface en tant que matériau modèle d’une part et d’autre part sur des échantillons naturels de fumeurs blancs et noirs, représentatifs des trois types de contextes hydrothermaux océaniques connus à ce jour. Le consortium PREBIOM est interdisciplinaire, avec cinq partenaires (LGL, Lyon ; LRS, Paris ; PhENIx, Paris ; LIEC, Nancy ; JHU/GL-CIW, Washington, USA), tous déjà impliqués dans l’étude des interactions entre molécules organiques et surfaces minérales. Certains partenaires ont déjà travaillé ensemble. Le consortium a été étendu et implique à présent des savoirs faire expérimentaux, analytiques et théoriques en minéralogie, chimie, chimie physique et géologie. La collaboration entre expérimentateurs et théoriciens est inédite sur ce sujet. Le projet PREBIOM conduira sans aucun doute à des résultats importants, fondamentaux sur la condensation et la polymérisation dans des conditions jusque là inexplorées mais qui étaient probablement celle qui ont prévalu lors de la synthèse organique abiotique des protéines et des acides nucléiques de longueur de chaine modeste. Ces résultats constituent également un socle pour les modélisations (géo)chimique et thermodynamique de l’origine de la vie. La sélection éclairée des surfaces minérales, des biomonomères et des conditions thermodynamiques permettra certainement d’apporter des contraintes sur l’environnement géologique qui a pu permettre certaines étapes de l’émergence de la vie. Les résultats de ce projet seront largement communiqués au travers de publications, de communications à des conférences internationales et retiendront peut-être l’attention du grand public généralement curieux de l’origine de la vie.

Coordinateur du projet

Madame Isabelle Daniel (UNIVERSITE LYON 1 CLAUDE BERNARD)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

GL John Hopkins University and Carnegie Institution of Washington
LIEC-UMR 7360 Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux
PHENIX CNRS DR IDF SECTEUR PARIS B
UCBL UNIVERSITE LYON 1 CLAUDE BERNARD
LRS CNRS DR IDF SECTEUR PARIS B

Aide de l'ANR 353 392 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2015 - 42 Mois

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