Un ballet élégant de protéines permet aux cellules modernes de se répliquer. Au cours de la division cellulaire, les protéines structurelles et les enzymes coordonnent la duplication de l’ADN, la division du contenu cytoplasmique d’une cellule et le resserrement de la membrane qui clive la cellule. Il est crucial de mettre en place ces processus correctement, car des erreurs peuvent conduire à des cellules filles anormales ou non viables.
Il y a des milliards d’années, le même défi a dû faire face aux premiers faisceaux membranaires auto-organisés de produits chimiques issus spontanément de matériaux inanimés. Mais ces protocellules devaient presque certainement se répliquer sans s’appuyer sur de grosses protéines. Comment ils l’ont fait est une question clé pour les astrobiologistes et les biochimistes qui étudient les origines de la vie.
« Si vous supprimez toutes les enzymes de la cellule, rien ne se passe. Ce ne sont que des sacs inertes », a déclaré Anna Wang, astrobiologiste à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud à Sydney. « Ils sont vraiment stables, et c’est un peu le but. »
Cependant, dans un article récent de Journal biophysique, Romain Attal, physicien à la Cité des sciences et de l’industrie en France, et le biologiste du cancer Laurent Schwartz des Hôpitaux publics de Paris ont développé une série d’équations mathématiques qui modélisent comment la chaleur à elle seule aurait pu suffire à conduire une partie importante de la réplication processus : la fission d’une protocellule en deux.
Attal pense que les processus chimiques et physiques actifs au début de la vie étaient probablement assez simples et que la thermodynamique à elle seule pourrait donc avoir joué un rôle important dans le début de la vie. Il a dit que les types d’équations de base sur lesquelles il a travaillé pourraient définir certaines des règles qui ont régi la façon dont la vie a émergé pour la première fois.
« Les gradients de température sont importants pour la vie », a déclaré Attal. « Si vous comprenez un sujet, vous devez être capable d’écrire ses principes.
Retourner pour la fission
Pour que les cellules primitives se divisent sans machinerie protéique complexe, le processus aurait nécessité un moteur physique ou chimique. « Il s’agit vraiment de dépouiller une cellule de ses fonctions de base et de penser : « Quels sont les principes physiques et chimiques de base, et comment pouvons-nous imiter cela sans protéines ? » », a déclaré Wang.
Comprendre ces processus devient plus difficile lorsque l’on considère que les scientifiques ne peuvent toujours pas s’entendre sur une définition de la vie en général, et des protocellules en particulier.
Ce sur quoi les scientifiques s’accordent, c’est que les protocellules devaient avoir une sorte d’informations héréditaires qu’elles pouvaient transmettre aux cellules filles, un métabolisme qui effectuait des réactions chimiques et une membrane lipidique isolant le métabolisme et les informations héréditaires du caractère aléatoire du reste de la Terre. soupe primordiale. Alors que le monde chimique extérieur était intrinsèquement aléatoire, la partition fournie par la membrane lipidique pourrait créer une zone de plus faible entropie.
Pour qu’une protocellule se développe avant de se diviser, elle devrait augmenter non seulement le volume à l’intérieur de la cellule, mais également la surface de la membrane environnante. Pour créer deux cellules filles plus petites avec le même volume total que la cellule mère, il faudrait des lipides supplémentaires pour leurs membranes, car leur surface serait plus grande par rapport à leur volume. Les réactions chimiques nécessaires pour alimenter la synthèse de ces lipides dégageraient de l’énergie sous forme de chaleur.
Alors qu’Attal discutait de ces idées avec Schwartz, il commença à se demander si cette énergie était suffisante pour entraîner la division cellulaire précoce. Une recherche dans la littérature scientifique a révélé une étude révélant que les mitochondries (le centre énergétique de la cellule, qui a commencé comme une bactérie symbiotique il y a des milliards d’années) ont une température légèrement plus élevée que la cellule environnante. Attal voulait savoir si cette différence d’énergie pouvait être générée dans les protocellules et si elle était suffisante pour entraîner la fission.