Un atome d'oxygène explique la formation des gouttelettes de RNA

L'écart chimique infime entre l'ARN et l'ADN pourrait jouer un rôle déterminant dans les mécanismes ayant permis à la vie de s'organiser avant l'apparition des cellules. Une seule différence structurelle, répétée le long du squelette moléculaire, modifie radicalement le comportement des biomolécules.

Les chercheurs ont établi que cette particularité facilite grandement la condensation de l'ARN en gouttelettes liquides denses, contrairement aux brins d'ADN comparables. Ces agrégats peuvent même évoluer vers des réseaux gélifiés interconnectés. Bien que spéculative, cette découverte apporte un élément de réponse à une énigme persistante : comment les molécules fragiles d'ARN ont pu se concentrer spontanément dans un environnement dépourvu de membranes cellulaires.

Le défi de la compartimentation primitive

Toute cellule moderne est délimitée par une membrane qui isole sa chimie interne du milieu extérieur. Cette barrière permet de maintenir les molécules utiles à proximité les unes des autres pour assurer l'efficacité des réactions biochimiques. Sans elle, la vie cellulaire telle que nous la connaissons n'existerait pas.

Cette réalité pose un problème complexe aux spécialistes de l'origine de la vie lorsqu'ils tentent de reconstituer la biologie antérieure aux premières cellules. L'hypothèse dominante, dite du « monde ARN », suggère que cette molécule occupait une place centrale avant que l'ADN et les protéines ne reprennent ses fonctions actuelles. L'ARN est un candidat crédible car il cumule deux capacités généralement réparties chez les organismes modernes : il porte l'information génétique comme l'ADN et catalyse certaines réactions chimiques, notamment la synthèse protéique.

Cependant, cette dualité engendre une difficulté majeure. Une molécule d'ARN isolée dans un vaste océan primitif aurait eu peu de chances de rencontrer régulièrement ses partenaires réactionnels. De plus, l'ARN est chimiquement moins stable que l'ADN. Il fallait donc un mécanisme capable de concentrer ces molécules utiles. La séparation de phase offre une explication plausible. Ce processus, comparable à la formation de gouttelettes d'huile dans l'eau, permet aux biomolécules de créer des condensats denses au sein d'une solution diluée. Contrairement aux cellules, ces structures ne nécessitent aucune membrane enveloppante.

La supériorité structurale de l'ARN

En 2023, une équipe dirigée par Priya Banerjee, physicienne à l'Université de Buffalo, avait déjà démontré que plusieurs types d'ARN pouvaient former des gouttelettes autonomes lors d'un chauffage en présence d'ions magnésium. Fait contre-intuitif, alors que la chaleur tend habituellement à dissoudre les mélanges, ces molécules se séparaient de la solution au-delà d'une certaine température pour s'agglomérer en une phase dense.

La nouvelle étude interroge la raison de cette aptitude spécifique de l'ARN. Les scientifiques ont comparé des brins d'ARN avec de l'ADN simple-brin portant une séquence quasi identique. Si les deux molécules semblent très similaires, composées de lettres génétiques attachées à un squelette sucre-phosphate, leur différence réside au niveau du sucre. L'ARN contient du ribose, doté d'un groupe hydroxyle (un atome d'oxygène et d'hydrogène, noté 2′-OH) sur son deuxième carbone. L'ADN, lui, possède du désoxyribose, où cet oxygène est remplacé par un simple hydrogène.

Ce détail atomique produit un effet considérable. Dans les conditions expérimentales, les brins d'ARN commençaient à former des condensats à des températures environ 10 degrés Celsius inférieures à celles de l'ADN. L'ARN présente donc une tendance nettement supérieure à se séparer en gouttelettes. « Ces résultats révèlent, pour la première fois, à quel point de minuscules changements dans la chimie moléculaire peuvent contrôler l'émergence de structures biomoléculaires auto-organisées beaucoup plus grandes, comme les condensats d'ARN », a déclaré Banerjee dans un communiqué de l'Université de Buffalo.

Mécanismes physiques et implications biologiques

Grâce à la microscopie, aux mesures de rayons X et aux simulations moléculaires, l'équipe a compris que le groupe 2′-OH modifie l'interaction de l'ARN avec l'eau et le magnésium. Lors de l'augmentation de la température, l'ARN perd plus facilement sa couche d'hydratation que l'ADN. Les ions magnésium peuvent alors rapprocher les brins d'ARN, favorisant la formation de gouttelettes denses. Ces dernières peuvent ensuite se lier pour constituer des réseaux gélifiés, un comportement que l'ADN adopte beaucoup moins volontiers.

« Ce seul groupe contenant de l'oxygène sur le sucre de l'ARN a un effet étonnamment puissant sur la capacité de ces molécules à s'assembler, à rester dynamiques ou à se figer dans un matériau semblable à un gel », a souligné Gable Wadsworth, premier auteur de l'étude.

Cette dynamique pourrait être cruciale pour comprendre l'émergence de la vie terrestre. Elle propose un moyen par lequel les molécules fonctionnelles se sont concentrées avant l'existence des cellules. Selon l'hypothèse du monde ARN, cette molécule assurait simultanément les rôles génétique et chimique. Mais dispersées dans les eaux anciennes, les molécules individuelles avaient peu d'opportunités d'interagir de manière répétée. Les condensats offrent une solution potentielle, bien qu'il ne s'agisse pas encore d'une hypothèse prouvée.

« Ils pourraient nous permettre d'aborder éventuellement des questions encore plus profondes, comme savoir si ces condensats ont aidé à combler le fossé entre les molécules simples et les premières formes de vie », ajoute Banerjee. L'étude indique ainsi que l'ARN possédait peut-être une tendance chimique innée à s'auto-organiser, une propriété que l'ADN ne partage pas au même degré. Les travaux ont été publiés dans Nature Communications.