RNA and proteins joined up at the origins of Life: Persistence is the point

La vie telle que nous la connaissons repose sur un partenariat entre deux types de molécules très différents. L'un, les acides nucléiques, agit comme la bibliothèque de la vie, stockant les instructions pour construire tout le reste. L'autre, les protéines, agit comme la force de travail, accomplissant les tâches chimiques qui maintiennent une cellule en vie et en croissance. Pendant des décennies, les scientifiques se sont interrogés sur la manière dont ce partenariat a commencé. L'idée prédominante, connue sous le nom d'hypothèse du monde à ARN, suggère que la vie a commencé avec un seul de ces acteurs : l'ARN, qui pouvait à la fois stocker l'information et accomplir certains travaux chimiques. Cependant, cette vision peine à expliquer comment une telle molécule unique aurait pu assumer ces deux rôles de manière assez parfaite pour lancer une lignée capable de survivre et d'évoluer. Une autre possibilité est que les protéines soient arrivées en premier, mais elles sont incapables de se copier elles-mêmes de manière fiable. La question fondamentale demeure : comment ces deux systèmes distincts ont-ils uni leurs forces pour créer les premières cellules vivantes ?

Deux chercheurs de l'Université de Stony Brook, Mohamed Swailem et Ken A. Dill, ont proposé une nouvelle façon de concevoir cette histoire des origines. Au lieu de demander quel type de molécule est arrivé en premier, ils demandent comment les deux auraient pu s'entraider pour survivre dès le début. Leurs travaux suggèrent que la clé n'était pas la perfection de l'une ou l'autre des molécules, mais une division du travail qui leur a permis de se propulser mutuellement vers l'existence. En combinant les forces des deux, ils soutiennent que la vie aurait pu émerger même si les parties individuelles étaient loin d'être parfaites.

Pour comprendre leur raisonnement, il est utile d'observer comment fonctionne l'évolution en tant que processus d'essais et d'erreurs. Imaginez une population de molécules simples et auto-réplicantes. Occasionnellement, une erreur survient lors de la copie, créant une nouvelle version. Si cette nouvelle version est meilleure pour survivre ou pour faire des copies, elle deviendra plus commune, tandis que les versions plus faibles disparaîtront. C'est le moteur de la sélection naturelle. Mais pour que ce moteur fonctionne, il faut que deux choses distinctes se produisent : un moyen de générer des changements aléatoires (l'essai) et un moyen de tester quels changements sont meilleurs (l'erreur). Les chercheurs soutiennent que les deux types de molécules dans nos cellules sont parfaitement adaptés à ces tâches distinctes.

Les acides nucléiques, comme l'ADN et l'ARN, sont rigides et stables. Leur structure leur permet de stocker l'information sans être facilement influencés par leur environnement. Ils sont excellents pour servir de plan, transportant les instructions sans les modifier. Cependant, ils ne sont pas très doués pour accomplir le travail chimique. Les protéines, en revanche, sont flexibles et diverses. Elles se replient en formes complexes qui leur permettent d'agir comme des outils, accélérant les réactions et construisant des structures. Mais les protéines sont médiocres pour stocker l'information ; elles sont difficiles à lire et à copier avec précision. Dans la vision des chercheurs, l'évolution avait besoin d'un système où le « plan » pouvait être modifié de manière aléatoire et sans biais, tandis que les « outils » pouvaient être testés pour leur capacité à aider le système à croître.

Les auteurs ont construit un modèle informatique pour tester ce qui se passe lorsque ces deux molécules interagissent. Ils ont commencé par un scénario où aucune des deux molécules n'était très bonne dans son travail. Les acides nucléiques n'étaient pas très précis pour se copier eux-mêmes, et les protéines n'étaient pas très douées pour aider cette copie. Dans un monde où ces molécules agissaient seules, elles s'évanouiraient simplement. Le modèle a montré que, sans aide, la population de ces molécules diminuerait jusqu'à disparaître, incapable de surmonter le taux de décomposition ou de dilution.

Cependant, lorsque les chercheurs ont permis aux deux molécules de travailler ensemble, le résultat a radicalement changé. Dans leur modèle, les protéines aident les acides nucléiques à se copier plus efficacement, tandis que les acides nucléiques fournissent les instructions pour fabriquer les protéines. Cela a créé une boucle de rétroaction. Même si la copie était imprécuse et que les protéines n'étaient que modérément utiles, la combinaison permettait au système de croître. Les chercheurs ont découvert que les deux molécules pouvaient se sauver mutuellement. Un acide nucléique qui n'était pas très bon pour se copier pouvait survivre s'il était associé à une protéine qui était très bonne pour aider. Inversement, une protéine qui n'était pas très efficace pouvait persister si elle était associée à un acide nucléique qui était très précis.

Cette relation est ce que les chercheurs appellent un « front de Pareto », un concept qui décrit une situation où l'on peut échanger un avantage contre un autre. Dans leurs simulations, ils ont trouvé une frontière claire entre un monde où les molécules meurent et un monde où elles prospèrent. D'un côté de cette ligne, les molécules sont trop faibles pour survivre. De l'autre, elles forment une unité coopérative qui croît et persiste. La découverte la plus frappante est que cette transition ne nécessite pas que les deux molécules soient parfaites. Elle exige seulement qu'elles soient suffisantes ensemble. Le modèle montre qu'un système avec de mauvais acides nucléiques et des protéines fortes peut survivre aussi bien qu'un système avec des acides nucléiques forts et de mauvaises protéines, tant qu'ils sont liés.

Les chercheurs ont également examiné combien de temps ces systèmes pouvaient durer. Ils ont découvert qu'une molécule seule a une vie très courte. Elle se dégrade rapidement et, sans moyen de se copier avec précision, sa lignée prend fin presque immédiatement. Mais quand les deux molécules unissent leurs forces, l'ensemble du système gagne une vie beaucoup plus longue. La lignée de ces unités coopératives peut persister pendant longtemps, bien plus longtemps que n'importe quelle molécule seule pourrait survivre. Cette persistance est ce que les chercheurs identifient comme le véritable début de la vie : le passage de réactions chimiques à courte durée de vie à des lignées de longue durée capables d'évoluer.

Ce modèle remet en question l'idée que la vie doive avoir commencé par une molécule unique et parfaite capable de tout faire. Au lieu de cela, il suggère que la vie a commencé par un partenariat. Les chercheurs soutiennent que la transition de la chimie à la biologie n'a pas été un saut soudain vers la perfection, mais un processus graduel où deux systèmes imparfaits ont appris à compter l'un sur l'autre. Les protéines ont fourni l'aptitude fonctionnelle, aidant le système à croître et à s'adapter, tandis que les acides nucléiques ont fourni l'héritabilité, assurant que les combinaisons réussies soient transmises.

Les auteurs précisent avec prudence que leur travail est une simulation, une exploration mathématique de la manière dont ces dynamiques pourraient fonctionner. Ils ne prétendent pas avoir découvert l'événement historique exact qui a lancé la vie, mais plutôt avoir montré un mécanisme physique plausible qui rend l'origine de la vie plus probable. Leur modèle démontre que le « paradoxe d'Eigen » — l'idée qu'il faut de bonnes protéines pour faire de bons acides nucléiques et de bons acides nucléiques pour faire de bonnes protéines, créant ainsi un cercle vicieux — peut être résolu par la coopération. En partageant la charge, les deux molécules peuvent surmonter les limites qui empêcheraient chacune d'entre elles de réussir seule.

En fin de compte, l'article offre une perspective discrète mais puissante : l'origine de la vie n'a peut-être pas été une question de recherche d'une molécule unique et miraculeuse. Il s'agissait peut-être de deux types de molécules différents trouvant un moyen de rester ensemble. L'une fournissait la mémoire, l'autre le muscle. Ensemble, elles ont créé un système qui était supérieur à la somme de ses parties, permettant aux premières lignées de persister assez longtemps pour évoluer vers la vie complexe que nous voyons aujourd'hui. Les chercheurs concluent que cette division du travail, où une molécule stocke le plan et l'autre construit la machine, n'est pas seulement une caractéristique de la vie moderne, mais le fondement même qui a rendu la vie possible en premier lieu.