Déverrouiller la chimie de la Terre primitive : le sel

Institut de technologie de Tokyo

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Crédit : Tokyo Tech

Il y a des milliards d'années, la Terre était une planète extrêmement hostile avec des volcans actifs, une atmosphère hostile et certainement pas de vie ! Cette Terre prébiotique, cependant, était remplie d'un large éventail de molécules organiques abiotiques dérivées de son environnement initial, qui ont subi des réactions chimiques qui ont finalement conduit à l'origine de la vie. Une classe de ces molécules abiotiques abondantes à l'époque prébiotique était les monomères d'acide 𝛼-hydroxy (𝛼HA) avec des structures quelque peu similaires à celles des acides aminés 𝛼 essentiels à la vie moderne. Cependant, leur abondance actuelle en biologie est faible.

Des microgouttelettes de polyester générées à partir de la déshydratation et de la réhydratation de monomères 𝛼HA ont été proposées comme modèles de protocellules et auraient pu être un type de compartiment primitif qui interagissait avec et absorbait divers analytes primitifs, tels que des sels dans des environnements aqueux primitifs. Cependant, les interactions sel-polyester et l'absorption de sel dans les microgouttelettes de polyester restent peu étudiées en raison d'un manque de techniques analytiques appropriées.

Pour combler cette lacune dans la compréhension, une équipe de chercheurs dirigée par le chercheur postdoctoral spécial Chen Chen du RIKEN (anciennement du Tokyo Institute of Technology) et le professeur associé spécialement nommé Tony Z. Jia du Earth-Life Science Institute du Tokyo Institute of Technology ont récemment mis au point une nouvelle stratégie pour étudier l'effet de l'absorption de sel sur les microgouttelettes de polyester. Leur percée, publiée dans Small Methods le 18 mai 2023, a proposé une nouvelle façon d'utiliser les méthodes spectroscopiques et biophysiques existantes pour caractériser l'absorption de sel par les microgouttelettes de polyester et comprendre leur comportement médié par le sel.

« Les molécules primitives telles que les 𝛼HA et les polyesters, bien qu'elles ne soient pas aussi couramment utilisées par les systèmes vivants actuels que les acides aminés, peuvent avoir jeté les bases de l'évolution des systèmes chimiques primitifs qui ont conduit à l'origine de la vie sur Terre. L'examen de l'interaction des polyesters avec différents analytes prébiotiques tels que les sels et la détermination de la capacité des gouttelettes de polyester à absorber les sels peuvent fournir des informations sur les fonctions pertinentes présentées par les compartiments primitifs », explique le professeur Jia.

𝛼HA tels que l'acide ᴅʟ-3-phényllactique (PA) peuvent subir une déshydratation dans des conditions imitant la Terre primitive pour former des polyesters de type gel ; une réhydratation supplémentaire entraîne l'assemblage de microgouttelettes sans membrane. Ces gouttelettes sans membrane ont déjà été trouvées pour séparer les analytes primitifs tels que les acides nucléiques, les petites molécules organiques et les protéines.

Des études ont émis l'hypothèse que la vie est née et a évolué dans des environnements aqueux anciens. Si des microgouttelettes de polyester existaient dans des environnements aqueux primitifs, elles auraient également pu absorber des sels, un analyte majeur présent dans des environnements aqueux primitifs, qui auraient également pu modifier par la suite la structure des microgouttelettes. Ainsi, l'équipe a soumis divers 𝛼HA, tels que le PA (un monomère neutre), l'acide malique (un monomère avec une chaîne latérale acide) et l'acide 4-amino-2-hydroxybutyrique (un monomère avec une chaîne latérale basique) à une synthèse de déshydratation, suivie d'une réhydratation en milieu aqueux pour générer des microgouttelettes de polyester neutres, contenant des résidus acides et basiques. En fait, cette étude a été la première à montrer la plausibilité des microgouttelettes de polyester contenant des résidus acides ! Ils ont ensuite incubé les microgouttelettes de polyester dans des solutions aqueuses constituées de différentes concentrations de différents sels de chlorure (NaCl, KCl, MgCl2 et CaCl2) qui auraient pu être abondants dans les premiers océans.

Après l'absorption de sel, les microgouttelettes de polyester ont été soumises à une nouvelle technique analytique utilisant la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) pour analyser la concentration en cations de sel dans les microgouttelettes. Les analyses ont été réalisées en collaboration avec des chercheurs du Pheasant Memorial Lab de l'Institut des matériaux planétaires de l'Université d'Okayama, où se trouvait l'ICP-MS, dans le cadre d'une subvention collaborative à usage conjoint. De plus, en collaboration avec d'autres membres, chacun avec des spécialités uniques, l'équipe a ensuite couplé l'ICP-MS à d'autres méthodes analytiques spectroscopiques et biophysiques, telles que l'analyse du potentiel zêta, la densité optique, la diffusion dynamique de la lumière et l'imagerie micro-Raman pour étudier en détail comment l'absorption de sel affecte le potentiel de surface, la turbidité des gouttelettes, la taille et la distribution interne de l'eau, respectivement, des microgouttelettes.

Les résultats ont indiqué que les microgouttelettes possédaient la capacité de séparer sélectivement les cations de sel, conduisant à une coalescence différentielle des microgouttelettes, probablement en raison de répulsions électrostatiques réduites entre les microgouttelettes en raison de la neutralisation de la charge de surface par les sels absorbés, qui se localisaient préférentiellement à la surface des gouttelettes. La présente étude met en évidence que même de légers changements dans l'absorption de sel pourraient affecter de manière significative la structure des protocellules, ce qui pourrait potentiellement expliquer la diversité des chimies des systèmes primitifs qui ont émergé dans différents systèmes aqueux, allant de l'eau douce aux saumures sous-océaniques hypersalines. « L'adoption d'une nouvelle stratégie très sensible pour analyser l'absorption de sel par les microgouttelettes de polyester a élargi la gamme de produits chimiques primitifs connus qui auraient pu avoir un effet sur la structure et la fonction des protocellules primitives. Cela ouvre de nouvelles voies pour de futures investigations concernant la pertinence des microgouttelettes de polyester aux origines de la vie sur Terre et en dehors », conclut le Dr Chen.

Petites méthodes

10.1002/smtd.202300119

Étude expérimentale

N'est pas applicable

Méthodes spectroscopiques et biophysiques pour déterminer l'absorption différentielle de sel par des microgouttelettes de polyester sans membrane primitives

18-mai-2023

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