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10 découvertes 2009

Ribosome: aux origines de la vie

[2] _biochimie - Université de montréal
Noémi Mercier - 25/04/2010
Des chercheurs ont percé l’un des plus grands secrets des origines de la vie. Ils ont reconstitué l’évolution du ribosome, l’usine à protéines de nos cellules.

Au commencement était le ribosome. Avant le premier microbe, avant la première cellule, avant même l’ADN et les protéines, il y eut cette énorme molécule tout entortillée. C’est elle qui, il y a presque 4 milliards d’années, a engendré la vie telle qu’on la connaît. Le ribosome est l’usine qui fabrique les protéines dans toutes les cellules vivantes, à partir des instructions du code génétique. «C’est la molécule centrale de la vie», dit Sergey Steinberg, professeur au département de biochimie de l’Université de Montréal.

Cette entité a longtemps mystifié les scientifiques. Avec ses 300 000 atomes, c’est non seulement l’une des plus grosses molécules biologiques, mais aussi l’une des plus complexes.

Quand sa structure a finalement été déchiffrée, il y a 10 ans (exploit qui a valu à ses auteurs le plus récent prix Nobel de chimie), on a découvert que cette molécule était aussi compliquée qu’une pelote de laine enchevêtrée. Mais comment une telle structure a-t-elle pu s’assembler spontanément au cours de l’évolution? La question restait entière, il y a quelques mois encore. «J’en ai fait un défi personnel», dit Sergey Steinberg avec un large sourire.

Lui et son étudiant au doctorat Konstantin Bokov ont pris la communauté scientifique par surprise lorsqu’ils ont fourni la clé du mystère, en février 2009, dans un article de la revue Nature. Leur solution s’est avérée d’une élégante simplicité.

Il fut un temps où il n’y avait sur cette planète ni ADN, ni protéines, les deux piliers de la vie terrestre actuelle. L’ADN est le disque dur qui renferme le matériel génétique, tandis que les protéines sont les ouvrières qui accomplissent les réactions chimiques nécessaires au fonctionnement de nos cellules. À cette époque lointaine, il existait déjà une certaine forme de vie sur Terre, mais elle était entièrement basée sur une seule molécule, l’ARN (ou acide ribonucléique), qui remplissait tant bien que mal les deux rôles. Ce «monde à ARN» a perduré pendant quelques centaines de millions d’années, jusqu’à ce qu’un événement majeur se produise. «Un brin d’ARN s’est replié sur lui-même de telle façon qu’il a acquis la capacité de synthétiser des protéines. Le ribosome était né», raconte Sergey Steinberg. C’était il y a environ 3,5 milliards d’années. Avec le concours des protéines nouvellement formées par ce ribosome primitif, l’ADN a pu émerger à son tour. Les rouages essentiels de la vie telle qu’on la connaît étaient en place.

Graduellement, ce ribosome originel s’est enrichi de nouveaux éléments (des morceaux d’ARN appelés nucléotides) jusqu’à ce qu’il devienne une énorme machine moléculaire.

Sergey Steinberg se doutait bien que ces insertions n’avaient pas pu avoir lieu n’importe où, n’importe comment. Elles avaient dû améliorer l’efficacité et la stabilité du ribosome, sans perturber le fonctionnement de la structure existante. Elles avaient sans doute pris la forme d’un anneau, ou d’une boucle, qui s’était accroché à la surface de la pelote de laine, de manière à ne pas interférer avec ce qui existait déjà. Des milliers de fragments avaient dû se greffer ainsi, un à un, boucle par boucle.

Pour reconstituer cette histoire, le chercheur a procédé à rebours: en partant du ribosome actuel, il a retranché une boucle, puis une autre, puis une autre encore, s’assurant chaque fois que les éléments restants continuent de fonctionner. Au bout de 59 étapes, il a atteint le cœur de la pelote de laine: une courte chaîne de nucléotides repliée sur elle-même, le noyau ancestral du ribosome. «Et c’est là, dans ce petit morceau, que se produit la plus importante réaction chimique, celle qui joint deux acides aminés ensemble pour former une protéine.»

Steinberg a non seulement montré de quelle manière les morceaux d’ARN se sont intégrés au ribosome primitif, mais aussi dans quel ordre. «Au premier abord, la structure peut paraître très désordonnée. On dirait une jungle! Mais elle présente en fait un ordre interne.» Ces résultats ont été obtenus à l’aide de simulations par ordinateur. Le professeur et son étudiant ont l’intention de les confirmer en reproduisant en laboratoire, avec de vraies molécules, toutes les étapes de cette évolution.

La complexité du ribosome est l’un des arguments favoris des tenants du «dessein intelligent», une doctrine inspirée du créationnisme. Ils prétendent que cette machine biologique est beaucoup trop sophistiquée pour avoir évolué étape par étape, de manière aléatoire, comme le veut la théorie de Darwin. Selon eux, un créateur intelligent – Dieu ou autre – est donc forcément intervenu pour l’assembler de toutes pièces. Sergey Steinberg et Konstantin Bokov viennent de faire la démonstration que les structures les plus compliquées de nos cellules peuvent bel et bien surgir d’une longue suite de hasards. Un beau cadeau pour l’année Darwin!

Les 10 découvertes de l'année 2009