À la surface des continents et dans les océans, sous terre ou dans les airs, la vie est partout. Or, si les espèces qui peuplent notre planète revêtent aujourd’hui une diversité sans pareil, il a bien fallu un commencement : quelques molécules d’abord, qui ont interagi, puis de simples cellules.

C’est sur les traces de ces tout premiers êtres vivants que se sont lancés de nombreux scientifiques. De l’Australie au Groenland, du fond de l’Atlantique aux confins de l’espace, ils traquent le moindre indice d’une activité biologique ancestrale. CNRS Le journal les a suivis dans leur quête.

Lire le journal : Pages 20 à 27

Le numéro de CNES MAG sorti cet été comporte un dossier spécial exobiologie, avec un supplément éducation concernant les exoplanètes, et un poster sur ce sujet.

A lire en ligne ou à télécharger ci-dessous.

CNES MAG exobio

Supplément Education

Poster

Cependant, chaque discipline utilise son propre langage, sa terminologie et des techniques propres. Dans l’environnement interdisciplinaire de nombreux termes ont des sens complètement redondants ou bien sont peu familiers aux membres des autres disciplines. L’Encyclopédie d’Astrobiologie sert de clé pour une compréhension commune. Chaque chercheur débutant ou expérimenté dans les champs adjacents de l’astrobiologie pourront apprécier cet ouvrage de référence. Sous la direction de Muriel Gargaud, membre la Société Française d’Exobiologie, un groupe international et interdisciplinaire d’éditeurs a soigneusement sélectionné les chercheurs qui ont rédigé les entrées de cette encyclopédie, qui ont ensuite été soumises à des revues croisées interdisciplinaires.

L’encyclopédie comprend environ 1700 entrées dans les champs suivants:

Astrophysique – Astrochimie – Planétologie – Sciences Spatiales – Missions Spatiales et Protection Planétaire – Géologie – Géochimie - Géomicrobiologie - Traces de la Vie  - Chimie – Biochimie – Biologie – Microbiologie - Origines de la Vie  - Vie Artificielle  - Epistémologie

La partie alphabétique est complétée par :

Des données astrobiologiques, astronomiques,  géologiques, chimiques et biologiques, ainsi qu’une histoire chronologique de la vie sur Terre.

Pour en savoir plus :

Une nouvelle étape dans les facultés d’adaptation des extrêmophiles semblait être franchie fin 2010, alors qu’une publication (Wolfe-Simon et al. 2010) tentait de montrer qu’une bactérie isolée à partir du lac Mono, en Californie (souche GFAJ-1), pouvait faire varier la composition élémentaire de ses biomolécules en remplaçant par l’arsenic (As) ses atomes de phosphore (P). Si elle était confirmée, cette découverte ouvrirait la possibilité que la combinaison hydrogène, carbone, azote, oxygène, soufre, et phosphore pourrait ne pas être la seule recette pour la vie et que la vie sur d’autres planètes et même sur la Terre pourrait avoir commencé avec d’autres éléments. Cette annonce, lors d’une conférence de presse organisée par la NASA, et dont l’annonce cryptique (suggérant un bouleversement spectaculaire concernant la recherche de la vie ailleurs que sur la Terre) avait généré un buzz sur internet peu commun pour les communications scientifiques. S’en suivi une controverse médiatique virulente où le débat scientifique s’effectua plus sur les blogs des chercheurs (voir par exemple ici et ici …) et dans la presse grand public qu’au cours d’échanges scientifiques dans les congrès internationaux et les revues à comités de lecture.

L’effervescence retombée, dans l’issue du journal Science parue le 3 Juin 2011, une série de commentaires scientifiques est publiée sur cette question (8 des 25 reçus par la revue). Tous pointent vers la même conclusion : les résultats présentés par Wolfe-Simon et al. fournissent un exemple supplémentaire de la capacité de la vie à faire face à des conditions extrêmes, mais ne révèlent pas que la vie peut émerger voire subsister sur des éléments différents de C, H, O, N, S et P. Les mesures effectuées et présentées ne permettent pas de montrer que l’arsenic a effectivement substitué le phosphore dans les molécules d’ADN et ARN, et ne s’est pas simplement accumulé dans les membranes des cellules. De plus, il semble impossible qu’un ADN ou ARN basé sur de l’arsenic soit suffisamment stable (il serait immédiatement hydrolysé) pour assurer la survie d’une espèce contenant de telles molécules.

Les auteurs de l’article mis en cause gardent cependant leur cap et tentent de répondre à ces remarques dans la même issue du journal. Ils mettront bientôt à disposition de la communauté scientifique la souche de bactérie qu’ils ont testée, afin que d’autres équipes volontaires puissent chercher à reproduire leurs mesures, et mener les analyses contradictoires et complémentaires qui devraient permettre de trancher la question.

A suivre donc… Et patience avant de bouleverser les programmes de biochimie et réécrire les livres…

(A lire aussi ce sujet)

Toutes les cellules actuelles, qu’elles soient eucaryotes, bactéries ou archées (les trois domaines du vivant) sont délimitées par des membranes qui séparent le cytoplasme du milieu extérieur. Ces membranes sont toujours composées de phospholipides : des molécules amphipathiques comportant  une partie hydrophile (la tête) et deux queues hydrophobes. Ces propriétés permettent aux phospholipides de s’organisent en bicouche, les queues hydrophobes des deux couches se faisant face tandis que les têtes hydrophiles de chaque feuillet pointent vers l’extérieur de la membrane. Au regard de ces similarités, on pourrait suggérer que le dernier ancêtre commun de tous les organismes (le cenancêtre, aussi appelé LUCA) était entouré de membranes lipidiques similaires aux actuelles.

Cependant, et malgré la structure commune à tous les phospholipides, il existe deux types très différents de ces molécules en fonction de la stéréochimie du glycérol qui les compose: les eucaryotes et les bactéries ont des phospholipides composés de glycérol-3-phosphate, en général lié à deux chaînes d’acides gras par des liaisons ester, alors que les archées utilisent du glycérol-1-phosphate, majoritairement lié à deux chaînes d’isoprénoïdes par des liaisons éther. Ces divergences ont été corrélées à des différences au niveau des voies de biosynthèse des composants des phospholipides : d’abord, les enzymes qui synthétisent chaque type d’énantiomère du glycérol dans les différents domaines du vivant ne sont pas homologues entre elles ; deuxièmement, les acides gras étaient jusqu’il y a peu complètement inconnus chez les archées ; finalement, il existe deux voies métaboliques non-homologues qui catalysent les molécules précurseurs des isoprénoïdes et dont la distribution taxonomique est très inégale entre les trois domaines du vivant. Du fait de ces divergences majeures, certains auteurs ont proposé que le cenancêtre ne possédait pas de phospholipides (et donc pas de membranes lipidiques), et que chaque type de phospholipide était apparu indépendamment dans les lignées conduisant d’une part aux bactéries et d’autre part aux archées. Par exemple, un modèle a suggéré que le cenancêtre était limité par des compartiments minéraux en sulfite de fer, et même la possibilité qu’il ait été non-compartimenté (et donc, acellulaire) a été évoquée.

Les deux types actuels de membranes cellulaires

Au cours des dernières années, plusieurs travaux ont voulu apporter des arguments dans le débat de la présence ou absence de phospholipides chez le cenancêtre, afin d’éclaircir les doutes sur l’existence de membranes lipidiques chez cet organisme. Ces analyses ont permis de montrer une réalité contradictoire avec certaines des observations citées précédemment. Pour commencer, il a été montré que les deux enzymes non-homologues responsables de la synthèse de chaque énantiomère du glycérol appartiennent à des familles enzymatiques distribuées dans les trois domaines du vivant, et donc présentes dans le cenancêtre. Deuxièmement, les groupes polaires qui constituent la tête hydrophile des phospholipides sont partagés par les trois domaines du vivant, et il a été montré que les enzymes capables de les fixer sur le glycérol phosphate étaient présentes chez le cenancêtre. Ensuite, on a découvert que les archées, qui étaient supposées ne pas utiliser d’acides gras, possédaient ces acides gras, ainsi que les gènes codant les enzymes de leurs voies de synthèse et dégradation. Finalement, nous avons montré récemment que sur les deux voies connues de biosynthèse des isoprénoïdes, l’une est vraiment caractéristique seulement des bactéries et de certains eucaryotes, alors que l’autre (appelée voie du mévalonate), que l’on pensait restreinte aux archées et aux eucaryotes, était également présente le dernier ancêtre commun des bactéries. Par conséquent, la voie du mévalonate était déjà présente chez le cenancêtre, ce qui soutient fortement que des isoprénoïdes aient existé chez cet organisme ancestral.

Eléments de membranes présents chez le Cenancetre

En conclusion, malgré un débat récent concernant la présence ou absence de membranes lipidiques chez le cenancêtre, il existe aujourd’hui des arguments solides pour affirmer que la machinerie enzymatique responsable de la synthèse de chaque constituant des phospholipides actuels (les deux types d’énantiomères du glycérol phosphate, les têtes polaires, les acides gras et les isoprénoïdes) existait déjà dans cet organisme. Par conséquent, ces éléments ont probablement constitué des membranes lipidiques moins spécialisées  que les actuelles, à partir desquelles celles que nous connaissons aujourd’hui auraient divergé dans les lignées qui ont conduit aux différents domaines du vivant. Le cenancêtre étant le dernier ancêtre commun de tous les organismes mais non pas le premier organisme vivant, il sera également intéressant que les travaux qui étudient l’origine des membranes tiennent compte de la complexité existante chez le cenancêtre pour inférer des modèles de plus en plus précis des étapes qui ont conduit à l’apparition de ces structures.

Référence / Pour en savoir plus

Lombard J, Moreira D (2011) Origins and early evolution of the mevalonate pathway of isoprenoid biosynthesis in the three domains of life. Molecular biology and evolution 28 (1):87-99

Ecologie, Systématique et Evolution
         - Membres du groupe "Diversité et évolution microbiennes

Dans un article publié en ligne par la prestigieuse revue Science le 2 décembre 2010, Felisa Wolfe-Simon et ses collaborateurs affirment avoir isolé « une bactérie qui peut croître en utilisant l’arsenic à la place du phosphore« . Cette information a été immédiatement répercutée et amplifiée par divers médias qui n’ont pas hésité à faire des déclarations telles que  « l’existence des bactéries qui consomment l’arsenic rend la vie extraterrestre possible » ou « la NASA découvre une nouvelle forme de vie ».

Qu’y a-t’il de si extraordinaire dans cette découverte pour susciter une telle attention ? Ce n’est certainement pas l’existence des bactéries qui consomment l’arsenic pour croître. En effet, l’existence des bactéries et d’archées qui utilisent l’arséniate comme accepteur d’électrons dans des réactions d’oxydo-réduction pour l’obtention d’énergie libre (dans des termes métaboliques, des respirations) est connue depuis des nombreuses années. Certaines bactéries pratiquent la respiration de l’arséniate (AsO₄^3-) comme d’autres utilisent d’autres composés oxydés (O₂, S₀, NO₃^-, SO₄^2-, CO₂, Fe³⁺, CrO₄⁴⁺, acides humiques oxydés, Mn⁴⁺, UO₂²⁺, SeO₄^2-, DMSO, NA(D)P+, fumarate, etc.). Ceci ne serait donc pas une surprise pour les microbiologistes. Ce qui constitue vraiment la nouveauté est la revendication qu’un élément essentiel, tel que le phosphore, soit remplacé par l’arsenic dans la composition des macromolécules de la cellule.

Pourquoi ? Les macromolécules cellulaires que nous connaissons (ADN, protéines, lipides, polysaccharides) sont essentiellement composées de six éléments majeurs (hydrogène, carbone, oxygène, azote, soufre et phosphore). Le phosphore (P), en particulier, fait partie intégrante du squelette sucre-phosphate sur lequel se greffent les bases azotées dans la molécule porteuse de l’information génétique de la cellule, l’ADN. Le dogme généralement accepté est que, la chimie de la cellule étant très spécifique, le remplacement d’un élément constitutif des macromolécules par un autre aurait des conséquences délétères pour la vie. Les auteurs de cet article le questionnent en partant d’une hypothèse : par ses caractéristiques physico-chimiques très similaires au P, l’arsenic (As) pourrait le remplacer dans la chimie de la cellule. En partie, ils n’ont pas tort, puisque c’est en effet parce que l’As ressemble le P qu’il est si toxique pour la plupart des cellules : en se substituant au P mais en donnant des espèces beaucoup plus instables, il bloque la biochimie cellulaire. Il est ainsi connu comme un agent découplant de la chaîne respiratoire car il empêche la formation d’ATP (adénosine triphosphate, la molécule de stockage chimique de l’énergie dans la cellule) au cours de la phosphorylation oxydative par substitution de l’As au phosphore.

Que montre cette étude ? Pour voir si, éventuellement, des microorganismes actuels pourraient substituer le P par l’As, Wolfe-Simon et collaborateurs isolent une souche de bactérie du Mono Lake (un environnement extrême de par sa salinité élevée) en utilisant des milieux progressivement enrichis en As et dépourvus de P. Ils arrivent ainsi à cultiver une souche unique, GFAJ-1, une bactérie du genre Halomonas qui est capable de croître en absence de P ajouté au milieu mais en présence d’As et vice versa (avec P, mais sans As). Les auteurs utilisent alors une série de techniques tendant à démontrer que l’arsenic s’accumule à l’intérieur de la cellule. Ils voient ainsi en utilisant la microsonde ionique (NanoSIMS), une sorte d’imagerie chimique de haute résolution, que l’As semble effectivement associé aux cellules. La même chose semblerait indiquer une expérience d’incorporation d’As marqué aux fractions protéiques et des acides nucléiques des cellules. Toutefois, cela ne démontre toujours pas que l’As remplace le P, mais simplement qu’il se retrouve à l’intérieur de la cellule et associé à des fractions cellulaires. Rien d’étonnant quand on sait que des bactéries du genre Halomonas sont capables d’accumuler l’As intracellulairement. Pour tenter de prouver que l’As est incorporé à l’ADN les auteurs utilisent le µXANES au synchrotron, une technique qui permet d’analyser l’environnement chimique des atomes, pour analyser des extraits bruts des cellules qui ont poussé dans un milieu riche en As et sans P. Ils observent alors une série de pics dans les spectres générés qu’ils interprètent comme étant le résultat de la présence des liaisons As-O et As-C et, par conséquent, comme étant bel et bien incorporés dans l’ADN.

Image de la bactérie en question. Crédits : NASA / Science

Quel impact aurait une telle découverte ? Une confirmation de ce résultat en ferait une découverte extraordinaire. Toutefois, on ne peut pas parler d’une nouvelle forme de vie, puisqu’il s’agit d’une bactérie appartenant à un groupe très dérivé (moderne) des bactéries, largement répandu sur la planète et, qui plus est, qui utilise le P comme « tout le monde » dans des conditions naturelles. Cela montrerait, tout au plus, une flexibilité inattendue de la chimie cellulaire. Rien non plus dans cette découverte qui prouve que la vie extraterrestre est possible, pas plus que la vie que l’on connaît déjà ne le prouve.

Mais, avant de nous lancer dans des spéculations insensées, avons-nous vraiment des preuves que cette bactérie utilise le phosphore à la place de l’arsenic ? Pour faire court, la réponse est NON. Carl Sagan affirmait il y a déjà longtemps : « Extraordinary claims need extraordinary evidence« . Dans le cas qui nous occupe, non seulement on ne nous offre pas des évidences extraordinaires mais, tout court, des évidences. Toutes les données qui sont montrées dans cet article sont indicatives, mais pas démonstratives. La manière la plus directe de prouver que l’As fait partie intégrante de l’ADN est de purifier l’ADN correctement et de mener des analyses chimiques qui montrent que, effectivement, l’As remplace le P. Cette expérience fondamentale est absente. L’abondance de données produites par des techniques de pointe n’empêche pas que leur interprétation est ambiguë en absence des contrôles appropriés. Par exemple, dans les expériences de µXANES, le contrôle proposé est un spectre in silico, théorique. Il aurait été plus probant de présenter à la place une vraie molécule d’ADN, une molécule d’ADN incubée avec une solution d’arsenic 5 µM et une molécule contenant des vraies liaisons As-O et As-C. Ces contrôles sont absents. La controverse est lancée. La communauté scientifique a réagi vite en exprimant un scepticisme certain à l’annonce de cette découverte. Ainsi, Steve Benner, de la Foundation for Applied Molecular Evolution en Floride affirme dans une déclaration publiée par le même journal Science que « l’utilisation de l’arsenic comme substitut du phosphore n’est pas établie par ce travail ». De la même manière, Rosie Redfield, de l’université de British Columbia, a rapidement réagi sur son blog en présentant quelques critiques pleines de bon sens scientifique.

Y aurait-il d’autres explications possibles aux observations de Wolfe-Simon et collaborateurs ? La réponse est oui. Qui sont ces bactéries « alien » capables de croître en absence de P dans le milieu ? Il s’agit des Halomonas, un genre de bactéries tolérantes aux fortes concentrations de sel et de métaux et qui compte parmi ses membres des organismes adaptés aux conditions d’oligotrophie, c’est à dire, à de concentrations très faibles de nutriments. Il serait tout à fait possible, comme l’évoquent d’ailleurs les auteurs de l’article, que cette souche récupère le phosphore présent à l’état de trace dans le milieu pour fabriquer ses macromolécules. Etant capables d’accumuler de l’As intracellulairement, celui-ci peut simplement s’adsorber sur toutes les macromolécules puisqu’il est en effet ajouté à des fortes doses. Rien dans les observations présentées dans l’article ne permet d’écarter cette possibilité qui devrait pourtant figurer comme étant l’hypothèse nulle à tester.

Quelle image des scientifiques donne une telle annonce ? Au delà des faiblesses d’une étude que le temps et des expériences plus concluantes pourront valider ou réfuter, le problème posé par la publication de cet article a des répercussions sur la crédibilité des scientifiques en général et des astro/exobiologistes en particulier. Une image que, malheureusement, la NASA avait déjà détériorée avec la prétendue découverte d’une vie martienne dont aurait témoigné la présence des supposés microfossiles dans la météorite ALH0084. Une image également dégradée par certains articles publiés par les journaux scientifiques à fort indice d’impact dont l’objectif premier est de maintenir la course aux citations.

Quelle conclusion peut-on tirer ? Revenons à la bonne vieille méthode scientifique, proposons des hypothèses, testons-les de manière à obtenir des validations irréfutables et, seulement alors, proclamons des découvertes, surtout si elles se prétendent  extraordinaires. Un mot clé ? Prudence, prudence, prudence…

La cellule est l’unité de base de toute forme vivante connue à l’heure actuelle. Qu’elle soit de type eucaryote ou procaryote, la cellule est délimitée par une bicouche membranaire, majoritairement constituée de phospholipides mais pouvant également contenir des glycolipides et autres stéroïdes pour ne citer qu’eux. L’intérieur de la cellule est lui séparé en de nombreux compartiments présentant une fonction biologique bien précise. Chacun dans sa singularité appartient à une machinerie cellulaire complexe dont le rôle est d’exprimer le code génétique en protéines fonctionnelles nécessaire à la survie de la cellule. On comprend ainsi le rôle primordial de la bicouche membranaire dans la nécessité d’assurer une séparation efficace entre milieu intra- et extracellulaire. Cette bicouche phospholipidique présente deux surfaces hydrophiles mais également un cœur hydrophobe qui empêche toute molécule polaire ou encore tout ion de pénétrer librement dans la cellule sans un quelconque contrôle. Ainsi, les cellules « modernes et évoluées » dont les membranes sont composées d’une très grande variété de dérivés lipidiques requièrent un système complexe de canaux protéiniques et de pompes énergie-dépendantes afin de contrôler leurs échanges avec leur environnement.

Cependant, la question de savoir quels sont les mécanismes de l’évolution ayant mené à la cellule dans sa forme actuelle reste encore en suspens. La Biologie et la Chimie contemporaines sont elles à même de pouvoir déchiffrer les paramètres nécessaires à l’apparition de « protocellules » ? L’acquisition de cette connaissance constitue un challenge de recherche à la fois ardu et fascinant, tant d’un point de vue  fondamental que pour des applications éventuelles vers la production de cellules « artificielles ».

L’étendue actuelle de notre connaissance en biochimie suggère que la cellule, considérée ici comme un compartiment, est un prérequis nécessaire, sinon le principal, à l’apparition de la vie. En ce sens, le compartimentage permet l’encapsulation, la concentration, et la protection des molécules (in)organiques vis-à-vis de la « soupe prébiotique » externe, pouvant même aboutir à l’élongation et la réplication de chaîne au sein même de ce compartiment.

Les phénomènes lés à l’évolution prébiotique des bicouches membranaires sont donc au centre de nombreux débats sur l’origine de la vie. Cependant, un problème subsiste : les membranes phospholipidiques modernes sont des barrières très efficaces contre des molécules polaires et chargées, nécessitant comme mentionné plus haut un système d’échange avec l’extérieur très élaboré. Elles sont donc imperméables à une très grande variété de molécules et de nutriments essentiels à la vie de la cellule et ne possèdent pas les propriétés dynamiques nécessaires à la croissance membranaire spontanée.

Sur la base de découvertes récentes, la compréhension de la formation spontanée de vésicules « protocellulaires » à partir de molécules amphiphiles, de leur capacité à internaliser des nutriments et de pouvoir conduire consécutivement à une élongation de chaîne a considérablement progressé ces dernières années. A ce sujet, une équipe de chercheurs  menée par Uwe Meierhenrich, de l’institut de chimie de Nice, se propose de passer en revue chacune de ces étapes fascinantes en les abordant à la manière d’un chimiste mais également d’un biochimiste. L’examen de la littérature conduit à détailler les points suivants : 1) l’assemblage spontané de molécules amphiphiles en vésicules « protocellulaires », 2) la croissance et la division de ces vésicules primitives, 3) la dynamique des membranes permettant l’absorption des nutriments, et enfin 4) l’élongation de chaîne de dérivés nucléotidiques dans des cellules modèles de type vésiculaire.

Ce film en anglais illustre la formation des toutes premières cellules sur Terre. Il fait partie des documents accompagnant la publication de Meierhenrich et al.: On the Origin of Primitive Cells: From Nutrient Intake to Elongation of Encapsulated Nucleotides. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 49 (2010) 3738–3750. (http://www3.interscience.wiley.com/journal/123400556/abstract)

Film (sm002.avi) disponible ici

Pour en savoir plus :

Meierhenrich et al.: On the Origin of Primitive Cells: From Nutrient Intake to Elongation of Encapsulated Nucleotides. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 49 (2010) 3738–3750.