Construire le squelette de l'uracile dans les étangs primitifs aux origines de la vie : carbamoylation de l'acide aspartique

Mar 16, 2024

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19178 (2022) Citer cet article

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Un grand nombre de bases nucléiques et d’acides aminés se trouvent dans les météorites, ce qui implique que plusieurs réservoirs chimiques sont présents dans le système solaire. L’hypothèse de la « continuité géochimique » explore comment les chemins protométaboliques se sont développés à partir de ce que l’on appelle les « briques » dans un monde prébiotique sans enzymes et comment ils ont affecté les origines de la vie. Dans la cellule vivante, la deuxième étape de la synthèse des monomères d'ARN d'uridine et de cytidine est un transfert de carbamoyle d'un donneur de carbamoyle vers l'acide aspartique. Nous comparons ici deux scénarios sans enzyme : des scénarios de surface aqueuse et minérale dans une plage thermique allant jusqu'à 250 °C. Les deux processus auraient pu se produire dans des étangs sous atmosphère ouverte sur la Terre primitive. La carbamoylation de l'acide aspartique avec du cyanate dans des solutions aqueuses à 25 °C donne des rendements élevés en acide N-carbamoyl aspartique en 16 h. Il est important de souligner que, même si diverses molécules pourraient être des agents carbamoylants efficaces selon la thermodynamique, la cinétique joue un rôle déterminant dans la sélection des voies prébiotiques possibles.

La question de l’émergence des premières formes de vie, dont nous ne savons rien et dont nous sommes pourtant les descendants darwiniens, peut être abordée sous l’angle de la transition de l’inerte au vivant. L’hypothèse de la « continuité géochimique »1 affirme qu’à un moment donné de l’évolution de la vie, des éléments clés des voies métaboliques ont récapitulé des réactions qui se produisaient auparavant dans un cadre non biologique. C’est à la fois parcimonieux et falsifiable, et également compatible avec l’idée selon laquelle la vie s’est développée dans un processus continu plutôt que comme un « accident anormal ». De plus, les chemins protométaboliques à partir de précurseurs simples et abondants peuvent continuellement réapprovisionner les éléments de base biochimiques, évitant ainsi le problème d'épuisement rencontré avec les scénarios de livraison exogènes2,3. Dans cette hypothèse, les structures définissant la vie (métabolisme, information, compartiments) pourraient avoir été initiées selon les mêmes chemins généraux, mais avec d'autres alternatives de contrôle cinétique (catalyse inorganique, y compris hétérogène) et thermodynamique (énergie libre issue des fluctuations macroscopiques de l'environnement). ) que celles que nous observons aujourd’hui dans les organismes4,5.

Dans cette réflexion, nous explorons une séquence métabolique typique de la biosynthèse des nucléotides, la synthèse de novo des pyrimidines (voie orotate), dans le but de la transposer en milieu abiotique. La biosynthèse non enzymatique de la pyrimidine a fait l'objet de beaucoup d'intérêt ces derniers temps, soit par des tentatives de transposition de la voie de l'orotate6, soit par des voies alternatives impliquant différents précurseurs7. Dans une publication précédente, nous avons examiné le potentiel prébiotique du carbamoyl phosphate, un agent carbamoylant activé utilisé au début de cette voie biochimique. Dans le présent article, nous nous concentrons sur la formation de l’acide N-carbamoyl-aspartique (NCA), le précurseur à 7 atomes de la charpente de l’uracile.

Le NCA, également appelé acide uréidosuccinique8, existe dans toutes les espèces vivantes, allant des bactéries aux eucaryotes. Le NCA est présent dans le cytoplasme ainsi que dans les excréments (salive) et les organes (prostate). Il est synthétisé à partir de carbamoyl phosphate et d’acide L-aspartique grâce à l’action de l’enzyme aspartate carbamoyltransférase (ATCase)9. Comme il joue un rôle clé dans les métabolismes de l'aspartate et de la pyrimidine, il est impliqué dans plusieurs dysfonctionnements comme la maladie de Canavan et le déficit en dihydropyrimidinase10.

Après une étape de cyclisation supplémentaire, le NCA forme le squelette central de l'acide orotique11,12, le précurseur de l'uracile5,13,14 (Fig. 1), c'est donc une cible prébiotique majeure pour vérifier si l'hypothèse de continuité géochimique est valide.

Biosynthèse actuelle de la pyrimidine in vivo le long de la voie de l'orotate. L’étape étudiée ici est encadrée.

Dans des travaux antérieurs, nous avons montré que le phosphate de carbamoyle (CP) est plutôt instable dans des conditions prébiotiques, mais produit deux autres molécules contenant encore le fragment carbamoyle riche en énergie : le cyanate et l'urée15. Il est donc peu probable que la CP elle-même soit impliquée dans une voie de carbamoylation prébiotique. Cependant, le potentiel des composés de type cyanate et urée comme agents carbamoylants alternatifs mérite d’être exploré. Les composés de type cyanate et urée peuvent être produits par plusieurs voies dans des contextes prébiotiques, contrairement au phosphate de carbamoyle16. Par conséquent, nous avons d’abord étudié la synthèse du NCA par la réaction entre le cyanate et l’acide L-aspartique dans des conditions aqueuses alcalines. Ensuite, nous avons également évalué des scénarios de surface minérale impliquant des étapes de séchage afin de tester les prédictions de l'hypothèse de continuité géochimique, y compris l'idée selon laquelle les catalyseurs minéraux peuvent imiter le rôle des enzymes (Fig. 2).