Enhanced Fidelity and Sequence Generality of an RNA Polymerase Ribozyme

Bien avant l'existence d'une vie complexe dotée de l'ADN et des protéines, les scientifiques pensent que les premiers systèmes vivants étaient entièrement construits à partir d'une seule molécule appelée ARN. Dans cette ère ancienne, souvent appelée « monde de l'ARN », l'ARN devait assurer une double fonction : il transportait les instructions génétiques comme un plan, et agissait comme une machine pour se copier lui-même, tel un ouvrier d'usine. Pour que la vie puisse croître et évoluer, cette machine à ARN devait être incroyablement précise. Si elle commettait trop d'erreurs lors de la copie de ses propres instructions, l'information deviendrait confuse et inutile, provoquant l'effondrement du système. Cependant, créer une molécule d'ARN capable de se copier avec une grande précision est un défi monumental. Bien que des scientifiques aient déjà conçu des enzymes d'ARN capables de construire d'autres brins d'ARN, ces premières versions étaient maladroites. Elles ne pouvaient copier que des séquences simples et non structurées, et commettaient souvent trop d'erreurs pour soutenir un système vivant. Elles étaient comme une photocopieuse qui ne pourrait gérer que du papier blanc ou des lignes de texte isolées, échouant dès que le document devenait complexe ou se repliait selon une certaine forme.

Une équipe de chercheurs de l'Institut Salk a désormais conçu une nouvelle version de cette machine à ARN qui surmonte ces limitations. En soumettant l'enzyme à un processus rigoureux d'essais et d'erreurs, ils ont créé un ribozyme, ou enzyme d'ARN, capable de copier des brins d'ARN complexes et repliés avec une précision remarquable. Cette nouvelle machine, nommée 85h34, représente une avancée significative. Elle peut lire des modèles difficiles qui étaient auparavant impossibles à copier, et elle commet beaucoup moins d'erreurs que ses prédécesseurs. Plus important encore, elle peut le faire même lorsque l'environnement chimique est moins favorable, une condition qui force la machine à être plus prudente. Cette réussite rapproche les scientifiques de la création d'un système auto-réplicatif capable d'évoluer de manière autonome, offrant un aperçu de la façon dont la vie aurait pu émerger d'une chimie simple.

Le voyage vers la création de cette machine améliorée a commencé avec une version précédente de l'ARN polymérase, connue sous le nom de 52-2. Bien que ce modèle antérieur puisse copier l'ARN, il peinait en termes de précision, surtout lorsque le modèle était long ou possédait une structure complexe. Lorsqu'il tentait de copier une molécule d'ARN spécifique appelée la ligase de classe I, qui compte 97 unités, il commettait tellement d'erreurs que les copies résultantes étaient presque entièrement inutiles. Pour corriger cela, les chercheurs ont décidé de placer l'enzyme sous une pression extrême. Ils ont conçu une expérience où la seule façon pour l'enzyme de survivre et de se reproduire était de construire avec succès une copie fonctionnelle de la ligase de classe I. Si l'enzyme commettait une erreur, la copie ne fonctionnerait pas, et cette version de l'enzyme serait écartée.

Les chercheurs ont mené ce processus de sélection pendant 33 cycles d'évolution supplémentaires. À chaque cycle, ils rendaient la tâche plus difficile. Ils réduisaient le temps dont l'enzyme disposait pour terminer le travail et, surtout, ils abaissaient la concentration d'ions magnésium dans la solution. Le magnésium agit comme un assistant pour la réaction chimique, mais en réduisant sa quantité, les chercheurs ont forcé l'enzyme à travailler plus efficacement et avec plus de soin. Une concentration plus faible de magnésium rend également plus difficile pour l'enzyme d'ignorer les erreurs, la punissant ainsi pour ses erreurs de copie. Au cours de ces 33 cycles, la population d'enzymes d'ARN a radicalement changé. Les chercheurs ont suivi ces changements en séquençant le code génétique des enzymes à chaque étape, observant comment différents groupes, ou clades, de mutations gagnaient ou perdaient en popularité.

Les données ont révélé une histoire complexe de compétition. Au début du processus, un groupe d'enzymes est devenu dominant car il était très précis, mais il était trop lent pour accomplir la tâche dans les limites de temps raccourcies. À mesure que la pression augmentait, ce groupe a disparu. Deux autres groupes, qui étaient présents en petits nombres, ont commencé à prospérer. Un groupe a amélioré sa capacité à gérer les parties difficiles et repliées du modèle, tandis que l'autre est devenu meilleur pour maintenir sa vitesse et sa précision dans des conditions de faible magnésium. Ces deux groupes portaient des ensembles différents de mutations bénéfiques qui étaient séparés par de grandes distances dans la séquence d'ARN, ce qui rendait presque impossible leur combinaison naturelle par recombinaison aléatoire. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont combiné manuellement les meilleures caractéristiques des deux groupes en une seule enzyme hybride.

Cet hybride, nommé 85h34, s'est avéré être une force de la nature. Il pouvait synthétiser la complexe ligase de classe I avec un rendement élevé, même dans des conditions où les versions plus anciennes échouaient complètement. Testé sur une variété de modèles d'ARN, incluant ceux présentant des séquences difficiles et des structures repliées, le 85h34 a systématiquement surpassé ses prédécesseurs. Il pouvait copier des modèles contenant de longues étendues de séquences difficiles à lire et pouvait même dérouler et copier à travers des boucles en épingle à cheveux qui faisaient stagner les anciennes enzymes. Plus impressionnant encore, le 85h34 a conservé sa capacité à travailler lorsque la concentration de magnésium était réduite à seulement 10 millimolaires, un niveau si bas qu'aucune autre ARN polymérase ribozyme n'avait jamais été capable de fonctionner, à condition qu'un agent de encombrement moléculaire (8 % de PEG8000) soit ajouté à la solution.

La précision de cette nouvelle machine a été mesurée en comptant les erreurs commises lors du processus de copie. L'ancienne enzyme 52-2 commettait environ 14 erreurs pour chaque 100 nucléotides copiés lorsqu'elle travaillait sur la ligase de classe I. En revanche, la nouvelle enzyme 85h34 ne commettait qu'environ 6 erreurs pour 100 nucléotides dans des conditions standards, et ce chiffre tombait à seulement 5 erreurs pour 100 lors d'un travail en environnement à faible magnésium. Cette amélioration provenait de deux sources : la nouvelle enzyme était meilleure pour choisir les bons blocs de construction dès le départ, et elle était bien meilleure pour s'arrêter si elle avait déjà commis une erreur. En refusant de prolonger une copie défectueuse, elle empêchait l'accumulation d'erreurs dans le produit final.

La portée de ce travail réside dans ce qu'il permet de réaliser. Pour que la vie puisse évoluer, l'information génétique doit être transmise avec assez de fidélité pour préserver les traits utiles, mais avec assez de variation pour permettre l'innovation. La polymérase 85h34 a franchi un seuil critique où elle peut copier de manière fiable des ARN fonctionnels complexes sans que l'information ne se dégrade en un contenu absurde. Cela signifie que les scientifiques peuvent désormais utiliser cette enzyme pour faire évoluer d'autres molécules d'ARN, créant un système où l'ARN peut non seulement se copier lui-même, mais aussi s'améliorer au fil du temps. Les chercheurs suggèrent que ce processus de démarrage, où une meilleure machine de copie crée de meilleures copies d'elle-même, pourrait éventuellement mener à un système d'ARN entièrement auto-évolutif. Bien que l'article ne prétende pas avoir créé la vie, il a construit la machine de copie d'ARN la plus capable à ce jour, fournissant un outil robuste pour explorer les origines chimiques de la vie et les principes fondamentaux de l'évolution.