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Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

  1. Geb

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    Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    Bonjour à tous,

    Je crois que j'ai découvert la publication scientifique la plus intéressante que j'ai pu lire depuis un très long moment. Dans ce papier, les choses semblent s'agencer naturellement concernant les origines de la vie terrestre.

    Le papier est disponible ici : On the origin of biochemistry at an alkaline hydrothermal vent

    En voici le plan :

    1. Introduction
    2. Acetogenesis and methanogenesis: homologous chemical conversions
    3. Carbon dioxide, then cofactors, then the RNA world
    4. An inorganic start: how, and where to reduce CO2?
    5. Acetyl phosphate, the original phosphoryl donor
    6. Carbon metabolism, fixing one more CO2
    7. The tricarboxylic acid (Krebs) cycle: forward, reverse and incomplete reverse
    8. Difficult D-sugar phosphates
    9. A fountain of youth?
    10. Pterins, GTP and cofactors
    11. Some important reactions of acetyl phosphate occur without enzymes
    12. Nitrogen: carbamoyl phosphate and a critical acyl phosphate intermediate
    13. This n incorporation delivers the constituents of purine and pyrimidine
    14. Pushing out of a racemate and into an RNA world
    15. Carbamate, molybdenum cofactor and carbonyl sulphide: biochemical relicts?
    16. The early formyl pterin problem
    17. Bioenergetic steps from rocks to microbial communities
    18. Conclusion

    Je dois dire que n'étant pas scientifique, il y a pas mal de notions qui me restent relativement abstraites, donc je n'aurai sans doute pas fini de l'analyser (avec votre aide) avant un bon bout de temps. Cela dit, j'ai l'impression que ça y est : nous avons là une théorie cohérente sur l'origine de la vie et le début de son histoire évolutive. Qu'en pensez vous ?

    Bonne lecture.


    Mereu este loc de mai bine!
     


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  2. Geb

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    novembre 2005
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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    Bonsoir,

    J'ai fait une petite synthèse de l'introduction, qui n'entre pas encore dans la biochimie (l'aspect le plus fascinant de ce papier), et est donc plus facile à retranscrire.

    Depuis décembre 2000, on a découvert des systèmes hydrothermaux désormais appelés "fumeurs blancs" dont les conditions physico-chimiques sont très différentes des "fumeurs noirs" découverts précédemment (en 1977). Ces deux types de systèmes hydrothermaux sont situés à quelques kilomètres des dorsales océaniques. L'eau à la sortie des fumeurs blancs est très riche en dihydrogène et est beaucoup moins chaude, entre 40 et 90°C, que celle des fumeurs noirs (jusqu'à 400°C). Le pH est alcalin (basique) et l'eau est réduite (ionisée). Elle contient également des composés soufrés.

    Quelque chose d'intéressant, est que l'un des coauteurs de l'étude (le géologue britannique Michael Russell) avait prédit l'existence des fumeurs blancs, et proposé dès 1994 que l'apparition de la vie ait eu lieu en leur sein.

    La structure interne poreuse des cheminées hydrothermales des fumeurs blancs consiste en des micro-compartiments en forme de bulle, d'environ un micron de diamètre. Cette compartimentation inorganique en trois dimensions de précipités de métaux soufrés fossilisés aurait constitué le précurseur fonctionnel des membranes cellulaires. Cette structure aurait permis la présence, en concentration suffisante, des briques organiques permettant la formation des premiers systèmes chimiques auto-réplicateurs. La vivant aurait donc pour lieu d'origine les fonds océaniques de l'Hadéen, au sein de ces précipités de sulfure ferreux (FeS) des cheminées hydrothermales basiques baignant dans un gradient d'oxydo-réduction, de pH et de température entre un fluide hydrothermal riche en composés soufrés et une eau riche en fer(II).

    La compartimentation aurait restreint la diffusion des produits de réaction chimique dans les océans, permettant la présence de composés organiques en concentration suffisante pour permettant à quelque chose comme le monde à ARN d'émerger. Une des suggestion de cette théorie est que LUCA n'aurait pas été une cellule vivante autonome pourvue d'une membrane, mais plutôt confinée dans le compartiment en sulfure ferreux (FeS) duquel elle est née.

    Une autre différence majeure avec les fumeurs noirs est que les cheminées des fumeurs blancs son bien plus vieilles (elle durent plus longtemps). Certaines cheminées hydrothermales du premier site de fumeurs blancs découverts, baptisé The Lost City, auraient environ 30000 ans.

    Dans les systèmes hydrothermaux, le dihydrogène interagit avec le CO2 dissous dans les océans à partir de l'atmosphère primitive (riche en CO2), ce qui apporte un potentiel non-négligeable d'oxydo-réduction. C'est un milieu favorable à la synthèse de composés carbonés réduits, les constituants essentiels de la vie.

    Il y a quelque chose qu'il faut constamment avoir à l'esprit en lisant ce papier. Il y a 4 milliards d'années, l'atmosphère et l'océan ne contenaient pas d'oxygène moléculaire. Aujourd'hui, il y a une grande concentration d'oxygène dissout dans l'eau. Les systèmes hydrothermaux actuels (qu'ils s'agissent de fumeur noirs ou blancs) ne sont donc en aucun cas des équivalents des systèmes hydrothermaux à l'origine de la vie. De plus, les concentrations en nickel et en fer dissous dans l'eau de mer était bien supérieures (par exemple, ~400 nM pour le nickel, contre ~9 nM actuellement) dans ces systèmes hydrothermaux sous-marins très anciens. Pour le fer, cette haute concentration est dûe au fait que les oxydes de fer n'ont pas encore précipités sous la forme de grand gisements de fer rubané.

    Parmi les autotrophes anaérobies, les bactéries acétogènes suivies de près par les archéobactéries méthanogènes représenteraient les formes de vie les plus anciennes. Celles-ci utilisent un métabolisme basé sur le voie dite de Wood–Ljungdahl (ou voie acetyl-coenzyme A) pour fixer le dioxyde de carbone de manière autotrophe (mais sans la photosynthèse).

    Dans le papier :

    A hydrothermal origin (with concentration of the products from prebiotic syntheses catalysed by metal sulphides within naturally forming microcompartments at a warm, alkaline hydrothermal vent) is highly compatible with the view that the acetyl-CoA pathway of carbon fixation might be the most primitive biochemical pathway of CO2 reduction.
    Une voie métabolique (abbréviée en acétyl-coA), que l'on pense être, depuis 1989, la plus ancienne voie métabolique du vivant, pour les raisons suivantes :

    - elle est présente chez les anaérobies et les extrêmophiles,
    - elle est présente chez les eubactéries et les archéobactéries,
    - elle requiert très peu d'énergie,
    - elle utilise le monoxyde de carbone, le formate, le formaldéhyde et le méthanol en plus du dioxyde de carbone,
    - l'obligation de l'omniprésence de coenzyme, mais avec des structures variées cela dit,
    - l'importance des métaux dans la catalyse de la fixation et de la réduction du dioxyde de carbone,

    En outre, la voie de l'acétyl coenzyme A :

    - est une réaction très exergonique,
    - elle n'implique aucun intermédiaire stéréochimiquement défini* (c-à-d pas de molécules homochirales),
    - elle opère avec des composés de départ très simples (dihydrogène, dioxyde de carbone et composés soufrés),
    - ces composés de départs sont présents dans les cheminées hydrothermales (le dihydrogène et les composés soufrés dans le fluide hydrothermal et le dioxyde de carbone dans l'océan,
    - elle implique des composés soufrés à partir de métaux de transition qui auraient également été présents au sein des cheminées hydrothermales,
    - elle produit un thioester très réactif (l'acétyl coenzyme A) comme produit initial.

    * La stéréochimie dynamique s'intéresse aux relations entre le déroulement des réactions chimiques et la stéréochimie des composés impliqués dans ces réactions. L'analyse conformationnelle fait partie intégrante de la stéréochimie dynamique.

    Personnellement, je vois un peu la découverte récente des fumeurs blancs actuels, comme la pierre de Rosette des origines de la vie, bien qu'ils soient je le rappelle, d'un point de vue conditions physico-chimiques, relativement différents de leurs homologues de l'Hadéen. Le simple fait qu'il existe, et le travail remarquable du Dr Russell à leurs propos, va permettre à plein de géologues, de biochimistes et de microbiologistes, de s'intéresser à cette hypothèse dans le cadre des origines de la vie. Le fait qu'ils n'aient été découvert que fin 2000 signifie que des expériences de tests et d'analyses en laboratoire vont suivre, et pourront nous permettre de vérifier par l'expérience toutes les étapes proposées de l'apparition des premières bactéries acétogènes et archéobactéries méthanogènes, notamment dans cette publication.

    Cordialement.
    Dernière modification par Geb ; 03/01/2012 à 20h01.
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  3. Geb

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    J'ai trouvé une publication précédente de Russel & Martin (2003), le même duo à la base du papier qui a motivé la création de ce fil de discussion. Cette publication, disponible gratuitement, a également éveillé mon intérêt, c'est pourquoi je la poste ici :

    On the origins of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells

    J'ai également trouvé un article d'un certain Richard Robinson, daté de novembre 2005 :

    Jump-Starting a Cellular World: Investigating the Origin of Life, from Soup to Networks

    Il contient une vulgarisation d'un papier un peu plus ancien de Russell & Martin (2004) intitulé "The rocky roots of the acetyl-CoA pathway". Ce passage vulgarisé est retranscrit ci-après.

    Metabolism More Ancient than Replication?

    In 1988, even while the RNA world was enjoying its intellectual honeymoon, a German biochemist and patent attorney, Günther Wächtershäuser, proposed a radical alternative theory of the origin of life based on, of all things, fool's gold. Iron disulfide—pyrite or fool's gold—can catalyze a variety of crucial biochemical reactions. There are iron sulfide or iron–nickel sulfide clusters at the heart of several ancient and vital enzymes in use in all cells today. Wächtershäuser proposed that the earliest living system was not a nucleotide-based replicator but a mineral-based metabolizer, converting simple and abundant inorganic compounds—carbon dioxide, hydrogen sulfide—into more complex organic ones on the surface of a pyrite crystal, probably at deep-sea hydrothermal vents.

    This metabolism-first model has a strong champion in Harold Morowitz, who paints the two major models for life's origin as “heaven and hell.” Miller-type scenarios, including the genes-first model, rely on a wealth of precursors raining down from above. The standard model of the RNA world, he says, “requires an environment that is impossibly improbable.” The alternative is a much smaller set of molecules, at much higher concentrations, bubbling up from below. “I really like theories that go from simplicity to complexity,” Morowitz says.

    The possibility that metabolism first began at hydrothermal vents has been advanced most recently by Michael Russell, Research Professor of Geology at the Scottish Universities Environmental Research Centre in Glasgow, and William Martin, Professor at the University of Düsseldorf. Russell and Martin propose that life's metabolism developed not on a two-dimensional pyrite surface but within tiny cavities lined with iron monosulfide, through which percolated an energy-rich mix of hydrogen and carbon dioxide dissolved in seawater.

    In the early 1980s, Russell discovered fossil fields of iron sulfide “chimneys,” formed on the ocean floor 350 million years ago. Unlike the more famous and much larger “black smokers”—deep-sea hydrothermal vents found in mid-ocean ridges that spew hot, mineral-rich water out of their sulfide chimneys—each of Russell's chimneys is no more than ten centimeters high and little more than a centimeter across. The entire field covers tens of square meters, and is composed, in part, of many thousands of millimeter-sized cavities, formed by outgassing of hydrogen and carbon dioxide, which bubbled up through cracks in the crust. While the particular structures Russell discovered formed well after life's origins, similar ones almost certainly existed in the prebiotic ocean, Russell says. Each would have remained stable over the course of thousands of years, a little experimental reaction vessel at the bottom of the sea.

    And unlike the 400 °C water spewing out of a black smoker, the water flowing up through these vents was much cooler, not much more than 100 °C. Outside the chamber, the ocean would have been much cooler still, and more acidic and more oxidized than the solution within, creating a set of strong temperature and electrochemical gradients across the microscopically porous surface of the chamber. “Life loves to live at the gradients,” says Russell.

    The slow trickle of hydrogen and carbon dioxide through such chambers and across the iron sulfide catalyst promotes formation of acetate, according to Russell and Martin. Acetate is a key intermediate in virtually all biosynthetic pathways, and in modern cells, enters these reactions tethered to sulfur. In modern bacteria, the two enzymes that make acetate depend on a catalytic core of iron, nickel, and sulfur, arranged almost exactly as they are in the free mineral itself. “In other words,” Russell and Martin have written, these enzymatic metal clusters “are not inventions of the biological world, rather they are mimics of minerals that are indisputably older, and which themselves have catalytic activity in the absence of protein”.

    These chambers also suggest a radical solution to a heretofore stubborn problem, one with no other obvious resolution. Modern cells without nuclei are grouped into two domains, the Eubacteria and the Archaebacteria. These ancient lineages share the same energy metabolism and the same genetic code, presumably reflecting a single common ancestor. But they differ profoundly in how they synthesize the lipids in their membranes. One explanation, which Martin dismisses, is that the common ancestor had a membrane, probably similar to the eubacterial structure, and the archaebacterial ancestor “had to completely reinvent its cell wall chemistry.” Such proposals are “completely decoupled from microbial physiology,” he says. The alternative favored by Russell and Martin is that these lipid differences reflect a divergence in the two lines after the last common ancestor already had its carbon biochemistry and genetic code intact, but before the development of lipid membranes. The chambers served as the original cell compartment, and were only replaced by lipids after the eubacterial and archaebacterial lines split.

    Russell and Martin's model also provides a solution to another thorny issue in jump-starting life, that of concentration. An essential feature of all cells is their ability to maintain high concentrations of materials that are in short supply in the world around them. In the absence of a cell membrane, how did proto-life forms collect raw materials, and prevent products from dissipating into the vastness of the environment around them? Russell's chambers solve this problem in essentially the same way modern cells do, with an external boundary that is permeable to small reactant molecules, but much less so to larger product ones. In Russell's and Martin's scenario, then, the stable metabolism that developed within these chambers eventually gave rise to a genetic system, probably dependent on RNA, which encoded simple proteins, probably through direct accretion of RNA and amino acids on the surface of a mineral catalyst. Finally, these proto-organisms developed membranes, completing their evolution into recognizable cells.

    This metabolism-first model is not an alternative to life based on RNA. “We can't work without an RNA world either,” says Martin. But it does propose that geology at hydrothermal vents provided the structure in which life emerged, and suggests that understanding prebiotic organic chemistry at these vents may provide the key to understanding the emergence of life from nonlife.
    Cordialement.
    Dernière modification par Geb ; 03/01/2012 à 21h42.
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  4. Geb

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    J'ai trouvé un peu plus de publications téléchargeables...

    Tout d'abord sur une page web maintenue à jour par Michael Russell, sur le site internet de son premier employeur, l'Université de Glasgow (Royaume-Uni) :

    The Geochimical Origins of Life by Michael J. Russell & Allan J. Hall

    Sur le même site, des publications scientifiques téléchargeables et des articles de presse écrits ou co-écrits par Michael Russell, remise à jour récemment (mai 2011).

    The Origin of Life research project

    Sa page web sur le site de son dernier employeur en date, le Joint Propulsion Laboratory du prestigieux California Institue of Technology à Pasadena (État de Californie, USA).

    Cette dernière contient notamment un exemplaire de son curriculum vitae, avec une liste impressionnante de ses publications.

    Cordialement.
    Mereu este loc de mai bine!
     

  5. Geb

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    J'ai trouvé la page personnelle du co-auteur de la publication initiale, William Martin, professeur à l'Université de Düsseldorf (Allemagne).

    Il y a également une liste de publications de ce même labo.

    Pour moi c'est clair, Russell et Martin (et sûrement quelques autres que je ne connais pas) sont à la pointe de la recherche sur les origines de la vie.

    La vitesse avec laquelle la connaissance évolue dans ce domaine depuis 10 ans (depuis la découverte des fumeurs blancs de Lost City) m'incite à citer à nouveau quelques lignes de l'article de vulgarisation que j'ai mis en lien plus haut :

    While the past half century has seen an explosion of knowledge about the evolution of life after it began, there has been relatively little progress in the past half century on how it began—the so-called origin question. In part, the problem is financial: research money has flooded many other areas in biology, but remains in short supply in this one. “The funding is a big part of it,” says Jack Szostak, a Howard Hughes investigator and Professor of Genetics at Harvard Medical School. As a result, there is a shortage of researchers willing to commit their professional careers to finding out how life began. “This is a risky field to be involved with. The problems are hard. You can train students, but there may not be jobs waiting for them afterwards.” To that end, Harvard University recently announced a plan to fund origin-of-life research to the tune of one million dollars per year, which Szostak says is a good start.
    Alors, à quand un effort international de grande envergure pour recréer des fumeurs blancs de l'Hadéen en laboratoire ?

    Cordialement.
    Mereu este loc de mai bine!
     


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  6. Geb

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    Pour ceux qui ne connaissent que peu de choses aux recherches concernant l'abiogenèse, je recommande la lecture du dossier écrit par André Brack pour Futura-Sciences :

    L’exobiologie : de l'origine de la vie à la vie dans l'Univers

    J'ai pris la peine d'analyser en profondeur le dossier d'André Brack. Il peut être résumé en 22 questions parmis celles qui ont un intérêt pour ce fil de discussion. André Brack y apportent des réponses partielles dans l'état actuel de ses connaissances scientifiques en date de 2006.

    1) La vie a t-elle démarré plusieurs fois ?
    2) La vie a t-elle survécu au grand bombardement tardif ?
    3) La vie peut-elle être synthétisée "en tube à essais" ?
    4) Quel était la composition de l'atmosphère terrestre primitive ?
    5) De quand datent les roches les plus anciennes ?
    6) Comment est apparue l'homochiralité des molécules d'origine biotique actuelles ?
    7) Une vie racémique est-elle possible ?
    8) Les acides aminés contenus dans les micro-météorites survivent-ils à la traversée de l'atmosphère ?
    9) Comment sont apparues les molécules de compartimentation (membranes) ?
    10) Comment sont apparues les molécules catalytiques (enzymes) ?
    11) Comment sont apparues les molécules de l’information (ARN puis ADN) ?
    12) Comment sont apparus les nucléotides (et indépendamment, sucre, base et groupement phosphate) ?
    13) D'où vient le phosphore contenu dans les molécules biotiques ?
    14) Y a t-il eu une vie primitive plus simple que la cellule ?
    15) Le monde à ARN a t-il existé ?
    16) Comment former de l'ARN dans des conditions prébiotiques ?
    17) Les mimivirus à ADN ont-ils infectés les organismes vivants ?
    18) Le monde à ARN a t-il été précédé par des systèmes autocatalytiques plus simples ?
    19) L'acide nucléique à thréose a t-elle précédé l'ARN ?
    20) L'autocatalyse s'est-elle développée sur des surfaces minérales ?
    21) De quand datent les micro-organismes fossiles les plus anciens découverts à ce jour ?
    22) Dans quelles conditions vivaient les micro-organismes fossiles les plus anciens ?

    Les travaux du géologiste britannique Michael Russell et de son collègue William Martin, exposés dans le papier de fin 2006 mis en lien, se rapprochent de la question n°20 :

    L'autocatalyse s'est-elle développée sur des surfaces minérales ?

    Cependant, dans son dossier, André Brack ne parle que de l'hypothèse de 1988 de Wächtershäuser, que l'on a déjà évoqué plus haut :

    Certains pensent que l'autocatalyse s'est développée sur des surfaces minérales. Ils favorisent l'hypothèse selon laquelle des systèmes chimiques utilisant directement le dioxyde de carbone comme source de carbone, à l'instar des plantes et de certaines bactéries. Ces organismes vivants primitifs sont décrits comme des molécules organiques autocatalytiques se développant sur des surfaces minérales de pyrite (FeS2). La réaction du fer ferreux (FeS) sur l'hydrogène sulfureux (H2S) produit d'une part de l'hydrogène qui réduit le dioxyde de carbone et de la pyrite qui sert de support minéral à la croissance autocatalytique du réseau organique. De ce fait, il y a croissance simultanée du réseau organique et du support minéral (Wächtershäuser, 1994; Wächtershäuser, 1998). Le départ des molécules organiques de la surface minérale au profit de molécules mieux adaptées à la surface permet au système d'évoluer en se perfectionnant. L'idée d'une participation active des surfaces minérales, émise dès 1953 par l'Anglais J. Desmond Bernal (Bernal, 1949), connait depuis peu un regain d'intérêt et de nombreux laboratoires se sont lancés dans cette chimie "on the rocks" (Hill Jr. et al, 1998).
    Malgré la qualité de ce dossier, il est (déjà) "obsolète" sur quelques points importants, et même, "muet" sur les avancées faites au moins depuis 2003 par M. Russell et W. Martin. Il est évident que même un scientifique renommé dans le domaine ne peut malheureusement pas tout connaître.

    Je remarque également que parmi les nombreuses références bibliographiques fournies par André Brack, la plus récente date de 2006 (pour un dossier mis en ligne le 7 janvier 2008) et il n'y a qu'un seul papier cité pour cette même année, celui de Westall & Southam intitulé "The early record of life". Pour information, la géologue d'origine sud-africaine Frances Westall avait justement succédé depuis 2003 à André Brack à la tête du groupe d'exobiologie au centre de biophysique moléculaire d'Orléans.

    Cordialement.
    Dernière modification par Geb ; 04/01/2012 à 01h01.
    Mereu este loc de mai bine!
     

  7. invite231234
    Invité

    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    Salut Geb ! Difficile de te louper sur ce fil !

    Citation Envoyé par Geb
    les bactéries acétogènes suivies de près par les archéobactéries méthanogènes représenteraient les formes de vie les plus anciennes.
    Sait-on ... à combien estime-t-on cette phase en millions d'années ?
     

  8. Geb

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    Bonjour arxiv,

    Citation Envoyé par arxiv Voir le message
    Difficile de te louper sur ce fil !
    C'est vrai que jusqu'ici ça ressemblait plus à un blog personnel qu'à un fil de discussion sur un forum. J'imagine que le côté "hermétique" de la biochimie n'incite pas les gens à lire et à commenter le papier.

    De simples articles de vulgarisation me paraissaient trop sommaires, et j'ai pensé que les papiers des chercheurs intéresseraient plus de monde. La vulgarisation c'est je crois ce qui fait dire à certains des membres de ce forum qu'on ne connaît "absolument rien" sur les origines de la vie sur Terre. Un avis qui selon moi ne reflète pas la réalité, et surtout depuis que j'ai découvert la publication de 2007 de Russell et Martin.

    Citation Envoyé par Geb Voir le message
    les bactéries acétogènes suivies de près par les archéobactéries méthanogènes représenteraient les formes de vie les plus anciennes.
    Ce ne sont évidemment pas les termes qu'ils emploient, et comme souvent quand je m'exprime sur la biologie, j'ai peut-être reformulé avec un peu trop d'emphase. Ce serait plutôt dans le texte (à propos des acétogènes et des méthanogène utilisant la voie de l'acétyl-CoA) :

    [...] the modern biochemistry of their CO2 reduction might mirror the most ancient forms of carbon chemistry.
    Citation Envoyé par arxiv Voir le message
    Sait-on ... à combien estime-t-on cette phase en millions d'années ?
    On en est pas encore à pouvoir indiquer des échelles de temps entre les dates d'apparition de ces 2 domaines distincts.

    D'une manière générale, la méthode proposée par Martin & Russell pour distinguer l'ordre chronologique de l'évolution biochimique de l'inerte au vivant, est en tout point similaire à l'idée que l'ARN est plus ancienne que l'ADN parce que la synthèse de cette dernière nécessite la première. Dans le texte :

    [...] similar to the conventional reasoning that RNA is older than DNA, because the synthesis of the latter requires the former.
    C'est ainsi qu'à partir des conditions initiales, un fumeur blanc de l'Hadéen, ils espèrent identifier toutes les étapes jusqu'à la première eubactérie acétogène.

    Le modèle de Martin & Russell est un modèle de "métabolisme d'abord" par opposition au camp du "gènes d'abord". D'après cette école de pensée, l'apparition du métabolisme à précédé l'apparition du matériel génétique. En outre, l'approche de Martin & Russell est originale par son postulat que les premières formes de vie n'auraient pas été confinées dans une membrane cellulaire, mais plutôt dans les cavités naturelles en FeS et en NiS d'une source hydrothermale. Hors, les membranes des archées sont très différentes de celles des eubactéries. La proposition de Martin & Russell est de ne pas s'intéresser aux différences membranaires (qui se seraient développées de manières complètement indépendante), mais plutôt aux différences métaboliques, pour expliquer (et non pas dater, du moins pas encore) la divergence entre les eubactéries et les archées. Au-delà de ça, les 2 chercheurs prennent également position sur d'autres débats :

    - ils sont en faveur de l'hypothèse que l'ARN précède l'ADN.
    - ils proposent que l'acétyl-phosphate précède l'ATP.
    - ils proposent que l'homochiralité soit apparue après et par l'intermédiaire des premiers métabolismes.
    - ils sont en faveur de l'hypothèse que les composés minéraux de métaux comme le fer et le nickel ont constitué les premiers catalyseurs biochimiques avant la synthèse des premiers cofacteurs, puis des premières enzymes.
    - ...

    Le papier de Martin & Russell indique, comme d'autres avant lui que la voie de l'acétyl-coenzyme A est probablement la voie métabolique la plus ancienne. Hors, cette voie de l'acétyl-coenzyme A est utilisée à la fois par les eubactéries (acétogènes) et les archées (méthanogènes). Il faut donc s'intéresser d'une manière plus détaillée à leurs différences métaboliques pour pouvoir dire lequel des 2 domaines à précédé l'autre.

    Du point de vue métabolique, il y a une seule différence fondamentale qui est mentionnée dans le papier de Martin & Russell. Il s'agit de l'utilisation d'une coenzyme (dans les 2 cas, une ptérine) de nature légèrement différente dans le cycle métabolique. Les acétogènes utilisent le tétrahydrofolate, tandis que les méthanogènes utilisent la tétrahydrométhanoptérine. Cette dernière a pour caractéristique de posséder un potentiel d'oxydoréduction légèrement supérieur à celle du tétrahydrofolate. Cela veut donc dire que l'utilisation de la méthanoptérine permet au méthanogènes de retirer un peu plus d'énergie du cycle de l'acétyl-CoA, et ainsi, de fournir un travail biochimique un peu plus important.

    Auparavant, on pensait que l' acétogenèse était réservée au domaine des eubactéries. Depuis 2004, on connaît une seule exception : l'archée Methanosarcina acetivorans C2A. En présence de CO2, elle produit du méthane comme les autres archées basées sur la même voie métabolique. Cependant, elle est capable de croître et de produire des quantités substantielles d'acétate en présence de CO plutôt que de CO2 et d'H2. Le fait que cette archée méthanogène ait besoin de CO pour produire de l'acétate (devenir acétogène) conforte l'idée que les bactéries acétogènes seraient plus anciennes.

    La démarche cohérente de Martin & Russell m'incite à penser qu'on n'a désormais un moyen d'expliquer un jour l'apparition des premières bactéries (qui seraient donc acétogènes). On sait au moins à quoi le puzzle de l'inerte au vivant (la première cellule) devrait ressembler une fois terminé.

    Pour moi, c'est un peu comme lorsque Gamow à démontrer en 1928 que les réactions nucléaires étaient théoriquement bien plus faciles (grâce à l'effet tunnel) que ce que l'on pensait auparavant. Il n'a fallu attendre que 4 ans, pour assister à la première expérience de scission d'un atome (du lithium). Il faudra sans aucun doute bien plus longtemps pour seulement envisager l'expérience de l'abiogenèse. Mais selon moi, les travaux de Russell et de ses collègues m'incite à penser que ce soit possible avant la fin du siècle.

    Cordialement.
    Mereu este loc de mai bine!
     

  9. Geb

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    Bonjour,

    Cela fait quelques semaines que je prend le temps de regarder les cours de Marc Fontecave sur le site du Collège de France.

    1) Leçon inaugurale du 26 mars 2009
    Chimie des processus biologiques

    2) Cours du 8 avril 2009
    L'âme des enzymes : le mystère de la biocatalyse

    3) Cours du 6 mai 2009
    Les métaux : des origines aux biocatalyseurs d'aujourd'hui

    4) Cours du 13 mai 2009
    Les ions métalliques: pèlerinages cellulaires

    5) Cours du 20 mai 2009
    L'oxygène moléculaire : origines et paradoxes

    6) Cours du 27 mai 2009
    Vers la photosynthèse artificielle : des catalyseurs bioinspirés

    7) Cours du 3 juin 2009
    La cytochrome oxydase : l'enzyme de la réduction de l'oxygène moléculaire

    8) Cours du 7 avril 2010
    Introduction : hydrogène et autres carburants solaires ; de l'eau, du soleil et des catalyseurs

    9) Cours du 14 avril 2010
    Les hydrogénases : des biocatalyseurs pour la production et l'oxydation de l'hydrogène

    10) Cours du 5 mai 2010
    Nouveaux développements vers la (photo)réduction de l'eau en hydrogène

    11) Cours du 12 mai 2010
    Nouveaux développements vers la (photo), oxydation de l'eau en oxygène

    12) Cours du 19 mai 2010
    Des catalyseurs moléculaires à des matériaux d'électrodes

    13) Cours du 26 mai 2010
    CO2, une source de carbone abondante : activation et réduction

    14) Cours du 27 avril 2011
    Du monde à ARN au monde à ADN : les ribonucléotide réductases

    15) Cours du 4 mai 2011
    Biosynthèse des précurseurs de l’ADN chez les organismes aérobies : du fer, de l’oxygène et des radicaux libres

    16) Cours du 11 mai 2011
    Biosynthèse des précurseurs de l’ADN chez les organismes anaérobies : du fer, de la S-adénosylméthionine et des radicaux libres

    17) Cours du 18 mai 2011
    Une découverte récente en enzymologie : la famille des métalloenzymes ''Radical-SAM (S-AdénosylMéthionine)''

    18) Cours du 25 mai 2011
    Une chimie radicalaire et des centres fer-soufre pour la biosynthèse de produits naturels soufrés

    19) Cours du 1er juin 2011
    Du monde à ARN au monde à ADN, quelle ribonucléotide réductase ?

    Le 3e et le dernier cours, que j'ai mis en lien, m'ont paru particulièrement intéressants pour le sujet de ce fil.

    Cordialement.
    Mereu este loc de mai bine!
     

  10. Geb

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    Bonjour,

    Pour ceux que le sujet intéresse, je viens de regarder une conférence (72 minutes) très intéressante de Patrick Forterre sur l'origine virale de l'ADN, qui date de 2008 :

    Nouvelles questions et hypothèses sur l'origine et l'évolution des génomes

    Cordialement.
    Dernière modification par Geb ; 28/01/2012 à 04h18.
    Mereu este loc de mai bine!
     

  11. pourquoipourquoipourquoi

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    c'est gentil de ta part mais moi je ne connais pas l'anglais et j'aurais aimé que me la trduise afin que je connaisse le sujet de cette maniere on pourai en discuter
    merci a +
     

  12. Alhec

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    Les travaux de ce labo t'intéresseront je crois
    http://molbio.mgh.harvard.edu/szostakweb/
     

  13. Geb

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    Bonjour,

    Citation Envoyé par pourquoipourquoipourquoi Voir le message
    c'est gentil de ta part mais moi je ne connais pas l'anglais et j'aurais aimé que me la trduise afin que je connaisse le sujet de cette maniere on pourai en discuter
    merci a +
    Salut Pourquoi', je te souhaite la bienvenue sur les forums de Futura-Sciences. Pour lancer une discussion, je pense avoir été assez explicite aux messages #2 et #8 de cette discussion. En outre les vidéos de Marc Fontecave et de Patrick Forterre que j'ai mise en lien sont en français, et peuvent éventuellement être discutées elles aussi.

    Citation Envoyé par Alhec Voir le message
    Les travaux de ce labo t'intéresseront je crois
    En effet, et je t'en remercie. Il est toujours intéressant d'avoir une autre source d'information sur les recherches qui sont en train d'être menées, même si ce labo ne va pas du tout dans le sens exploré par Russell et ses collaborateurs.

    Le seul papier dans lequel une publication de Russell est cité (à ma connaissance), en l'occurence celle de 2003, que j'ai mentionné au message #3 de cette discussion, est celui-ci :

    The origins of cellular life (Schrum et al., 2010)

    More recent experiments suggest a very different geochemical scenario leading to the assembly of similar protocell-like structures. The hollow channels within the rocks of the alkaline off-axis hydrothermal vents provide a protected compartmentalized environment where it has been suggested that primitivemetabolic activities might have originated (Martin and Russell 2003). Recent theoretical studies suggested that the strong thermal gradients present in hydrothermal vents, together with the thin channels produced by mineral precipitation, could greatly concentrate small organic molecules such as nucleotides as well as larger nucleic acids from a very dilute external reservoir (Baaske et al. 2007).
    Comme tu peux le remarquer, l'hypothèse de Russell est seulement citée, et présentée comme un "scénario très différent" de celui exploré par le labo.

    Il y a d'autres papiers de Russell et al., plus récents (2005, 2006 et 2008 respectivement), qui ont également éveillé mon intérêt :

    Sites for phosphates and iron-sulfur thiolates in the first membranes : 3 to 6 residue anion-binding motifs (nests)

    The onset and early evolution of life

    Le papier suivant rassemble, en quelque sorte, le travail des deux autres papiers précédents :

    Predicting the conformations of peptides and proteins in early evolution

    Ce dernier discute la possibilité de former de manière abiotique des proto-ferrédoxines, des proto-tétrapyrroles (essentielles pour la branche méthanogène de la voie acétyl-CoA), ainsi que des canaux à protons, à potassium et à eau pouvant être incorporés dans la proto-membrane en greigite et en mackinawite (des sulfures de fer) de notre proto-cellule incorporée dans le précipité minéral d'une source hydrothermale de type fumeur blanc. Il indique également que la cystéine serait apparue dans un second temps et qu'elle aurait pu être précédée par des centres actifs composés de métaux soufrés.

    Un autre papier, souvent cité dans les papiers de Russell et al., est intéressant pour comprendre quels ont été les premiers codons à apparaître (à savoir GGC et GCC, pour la glycine et l'alanine respectivement) et l'apparition, par ordre chronologique, des autres codons.

    En outre, il établi plusieurs étapes, quant à la coévolution entre les séquences de gènes codants pour ces acides aminés/peptides/protéines et la composition/conformation des protéines correspondantes, et il fait évidemment des rapprochements avec les conformations protéiniques et génomiques de procaryotes actuels.

    Distinct Stages of Protein Evolution as Suggested by Protein Sequence Analysis

    À lire...

    Cordialement.
    Dernière modification par Geb ; 07/03/2012 à 14h27.
    Mereu este loc de mai bine!
     

  14. Geb

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    Bonjour,

    Je viens de terminer la lecture d'un article de Pratt & Phil, publié en 2010 :

    Evolutionary Steps to the Origin of Life on Earth


    Ce qui a retenu d'avantage mon attention se trouve à la fin de l'article et est reproduit ci-après :

    Fidelity of Information Reproduction and Nucleic Acids

    As highlighted by Eigen and Schuster (1977, 1978a, 1978b), the fidelity of reproduction of biochemical information plays a critical role in the emergence and evolution of complex life. The final key breakthrough to life was the discovery of macromolecules which were capable of carrying information but which had regular physical properties that are independent of precise composition and sequence. Benner (2004) has pointed out that it is the polyanionic nature of nucleic acids, together with the similar, but not identical nature of the four basic building blocks that underpins their development as genetic molecules. So how did these molecules become integrated with the evolving autocatalytic networks?

    Once sugar phosphate derivatives became available as components of soluble proto-metabolism they, like other molecules, could undergo further chemistry. Phosphate chemistry is useful in channelling sugar chemistry into interesting metabolites (Muller et al., 1990) opening the way to nucleotides (Powner, Gerland and Sutherland, 2009) These derivatives, like other proto-metabolites could undergo dehydrative couple to generate oligomers and functional oligomers could be selected and evolve. Initially the selection would be based on the catalytic capabilities of these molecules (Gesteland, Cech and Atkins, 2006; White, 1976) but then a second property emerged, namely the templated synthesis (Sievers, and Kiedrowski, 1994) that underpins genetic replication mechanisms. For the first time oligomers could be made with reliable sequences. A modified version of the RNA world (Koonin and Martin, 2005) was at hand.

    When amino acids linked to these simple oligonucleotides as ester derivatives, they could undergo a new type of templated peptide synthesis which could piggy back on the increased level of sequence control inherent in RNA formation. Thus began the journey to the ribosome (Hsiao et al., 2009). The succeeding journey further illustrates the importance of reproduction fidelity as a key selection pressure in the generation of entities with the complexity of microbial life. The conversion of RNA to DNA to provide more chemically stable oligomers, capable of carrying greater amounts of genetic information, and the development of modified bases in DNA to increase the effectiveness of DNA repair processes all pay testament to Eigen’s key insights into error thresholds and the selection pressure of information.
    Il est souvent reproché à la théorie de Russell et al. de ne pas intégrer une explication plausible de l'apparition du code génétique en tandem avec l'explication convaincante de l'apparition du métabolisme que ce modèle du moteur hydrothermal permet d'apporter. Si j'ai bien tout compris, cet article semble y intégrer un modèle d'apparition du code génétique qu'on doit à un papier de Benner publié en 2004.

    Quelqu'un aurait-il plus de détails sur les travaux de Benner sur ce point précis ?

    Je suis en train de lire le papier de Koonin et Martin (2005) cité dans l'article, afin d'y voir plus clair :

    On the origin of genomes and cells within inorganic compartments

    Cordialement.
    Dernière modification par Geb ; 30/07/2012 à 09h02.
    Mereu este loc de mai bine!
     

  15. Geb

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    Re : Le scénario de l'origine de la vie enfin déterminé ?

    Bonjour,

    Citation Envoyé par Geb Voir le message
    Je suis en train de lire le papier de Koonin et Martin (2005) cité dans l'article, afin d'y voir plus clair :

    On the origin of genomes and cells within inorganic compartments
    Je vous conseille également la lecture de la référence [84] de l'article de Koonin & Martin (2005), qui est disponible ici :

    "A mechanism for the association of amino acids with their codons and the origin of the genetic code" Copley et al. (2005).

    Aussi, j'ai trouvé une interview de Michael Russell par Leslie Mullen, pour Astrobiology Magazine, datée du 21 avril 2008 :

    The Present is the Key to the Past

    Il explique bien à la fin la difficulté de reproduire les conditions d'un fumeur blanc de l'Hadéen en laboratoire :

    AM: Can you set up a Miller/Urey-type experiment with those conditions?

    MR: We are trying to recreate these submarine hydrothermal conditions at JPL, but it’s extremely difficult. At the time of life’s origin on Earth, the carbon dioxide in the atmosphere was about 10 bars, and this made the ocean carbonic, with the pH of Cocoa Cola. You also need hydrogen, but hydrogen doesn’t dissolve in water that’s near the surface, so in the lab you need 100 atmospheres bearing on the water to get the hydrogen into solution. You don’t want the carbon dioxide and hydrogen fluids invading each other too quickly. Also, the bubbles are rather flimsy affairs, and you need to keep protons on the outside and alkaline solutions on the inside.

    Another difficulty is keeping DNA out of the system. This planet is hopelessly compromised by living organisms. The people who try to sterilize space vehicles know how difficult that is. In addition, there wasn’t any oxygen on the early Earth, so we have the problem of oxygen invading the system. So it’s extremely hard to model, but I think it is possible to do it, and I think the Jet Propulsion Laboratory is the right place for that because we have common interests and concerns. [...]
    J'ai également lu avec beaucoup d'intérêt un papier de Nick Lane intitulé :

    Chance or Necessity? Bioenergetics and the Probability of Life

    Il résume d'une façon plus littéraire (autrement dit sans passer par la biochimie) la théorie de Russell et al., la compare avec beaucoup d'autres théories de l'apparition de la vie (pour conclure que celle de Russell est la meilleure et même la seule possible), puis explique longuement (à partir du point 4) pourquoi, même si les conditions nécessaires et suffisantes pour l'apparition de la vie procaryote étaient relativement simples, l'apparition des eucaryotes, et par la même, de la vie "complexe" est extrêmement difficile.

    J'espère que ça ne va pas mener à un hors-sujet vers l'exobiologie, mais j'aime assez la conclusion de son article :

    6. Conclusion

    This bioenergetic perspective provides an insight into the evolution of life, not just on Earth but also elsewhere in the universe. The origin of life is theoretically probable on any wet rocky planet, as the common geological process of serpentinization is predicted to give rise to alkaline vents on a global scale. Alkaline vents provide an ideal incubator for life, meeting all the conditions needed for life to evolve – specifically a thermodynamic driving force, stability, a steady supply of hydrogen, CO2 and reduced nitrogen, the catalysts needed to drive primordial metabolism, a means of concentration in cell-like micropores, and natural proton gradients enabling the evolution of chemiosmotic coupling, the only means of powering free-living chemolithotrophic cells in anaerobic oceans. But even if the origin of prokaryotes is probable on any wet rocky planet, the very fact that prokaryotes necessarily depend on chemiosmotic coupling constrains evolution. Only a rare and stochastic endosymbiosis can free prokaryotes from the energetic constraints of respiring across the plasma membrane. On Earth this was apparently a singular event, and prokaryotes otherwise show little tendency to evolve greater complexity. The same constraints must face life on other planets too, because chemistry, and the principles of thermodynamics and energetics, are universal. The unavoidable conclusion is that the universe should be full of bacteria, but more complex life will be rare – and perhaps surprisingly similar to us. Aliens will have mitochondria too.
    Cordialement.
    Dernière modification par Geb ; 03/08/2012 à 10h16.
    Mereu este loc de mai bine!
     


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