Comment les premières biomolécules ont-elles pu se former ?

Les précurseurs chimiques des biomolécules actuelles pourraient s'être formés non seulement dans les profondeurs marines, au niveau des cheminées hydrothermales, mais aussi dans des mares chaudes à la surface de la Terre. Les réactions chimiques qui ont pu se produire dans cette "soupe primordiale" ont été reproduites dans des expériences menées par une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'université Friedrich Schiller d'Iéna. Ils ont même découvert que l'une des bases nucléiques, qui représentent le code de notre matériel génétique, pourrait provenir de la surface de notre planète.

La Terre, âgée d'environ 4,6 milliards d'années, n'a pas toujours été un lieu propice à la vie. Au cours des cent premiers millions d'années, l'atmosphère de notre planète était principalement constituée d'azote, de dioxyde de carbone, de méthane, de sulfure d'hydrogène et de cyanure d'hydrogène, également connu sous le nom d'acide cyanhydrique. L'oxygène libre n'existait pas. Dans ces conditions, le sulfure de fer, qui se transforme en oxyde de fer lorsqu'il est exposé à l'oxygène, est stable. À la surface du sulfure de fer, cependant, des réactions biologiquement importantes peuvent avoir lieu, semblables à celles qui se produisent dans certaines enzymes à base de fer et de soufre, comme les nitrogénases et les hydrogénases.

Une redécouverte accidentelle a rendu la chose possible

"Nous nous sommes demandé ce qui se passe lorsque le sulfure de fer présent dans cette atmosphère primordiale entre en contact avec l'acide cyanhydrique", explique le professeur Wolfgang Weigand, de l'Institut de chimie inorganique et analytique de l'université d'Iéna. "Le fait que nous ayons découvert par hasard une forme particulièrement réactive de sulfure de fer dans le cadre d'une collaboration fructueuse avec mon collègue le professeur Christian Robl nous a été utile. Cette forme avait déjà été découverte deux fois dans l'histoire, et à chaque fois, elle a été oubliée à nouveau : une fois en 1700 et une autre fois dans les années 1920. Pour ainsi dire, les deux doctorants de l'époque, Robert Bolney et Mario Grosch, l'ont découverte pour la troisième fois", ajoute-t-il. Les deux chimistes ont observé en laboratoire que lorsque de la poudre de fer est mélangée à du soufre dans de l'eau et légèrement chauffée, au bout d'un certain temps, du sulfure de fer se forme sous forme de mackinawite dans une réaction explosive. Ce minéral a servi de catalyseur dans l'expérience de la "soupe primordiale".

Une lettre du code génétique a pu être créée de cette manière

"Nous avons ajouté du cyanure de potassium, de l'acide phosphorique et de l'eau au sulfure de fer dans une atmosphère d'azote et avons chauffé le mélange à 80 degrés Celsius. L'acide phosphorique transforme le cyanure de potassium en acide cyanhydrique. Nous avons ensuite prélevé des échantillons de gaz dans l'atmosphère des récipients respectifs et les avons analysés", explique Weigand. Les chercheurs ont trouvé des substances qui ont pu servir de précurseurs chimiques aux biomolécules d'aujourd'hui.

Dans la revue scientifique ChemSystemsChem, l'équipe confirme, entre autres, la découverte de thiols, présents sous forme de lipides dans les membranes cellulaires, ainsi que d'acétaldéhyde, nécessaire comme précurseur des éléments constitutifs de l'ADN (appelés nucléosides). "Il est particulièrement intéressant de constater que, dans ces conditions douces, nous avons même pu détecter l'adénine, une nucléobase qui est l'une des cinq lettres du code génétique", ajoute Weigand avec enthousiasme.

Grâce au marquage isotopique, l'équipe a pu prouver que le cyanure fournissait bien le carbone des molécules trouvées. Weigand explique : "Dans cette expérience, le cyanure de potassium ne contenait pas l'isotope carbone-12, qui est l'isotope qui représente 98,9 % du carbone présent naturellement dans l'environnement. Il s'agissait plutôt de l'isotope plus lourd - et également stable - du carbone-13. C'est cet isotope que nous avons trouvé dans les produits de la réaction. De cette façon, nous avons pu prouver sans équivoque que les atomes de carbone des molécules que nous avons trouvées provenaient réellement du cyanure de potassium marqué à l'isotope."

Des décennies d'imagination et de patience

Weigand est particulièrement reconnaissant de la coopération de l'ensemble de l'équipe internationale : "Il faut vraiment de l'imagination et de la patience pour un tel travail", dit-il. "Et Robert Bolney et Mario Grosch l'ont prouvé. La coopération avec nos collègues de l'université de Californie à Irvine et de la LMU de Munich a également été exemplaire."

L'importance de l'imagination et surtout de la patience dans la science est illustrée par Wolfgang Weigand lui-même. En effet, en 2003, il a reçu le prix de la recherche de Thuringe avec le professeur Günter Kreisel de l'université d'Iéna et le docteur Willi Brand de l'Institut Max Planck de biogéochimie d'Iéna pour son article intitulé "A possible prebiotic formation of ammonia from molecular nitrogen on iron sulphide surfaces".

Aujourd'hui - près de 20 ans plus tard - Weigand a également pu montrer que les premiers composés de carbone, à partir desquels la vie s'est développée par la suite, auraient pu se former dans ces conditions à partir du cyanure à la surface de la Terre.