Pour comprendre les mécanismes de la vie, cette scientifique les brise volontairement

« Je suis fascinée par la vie, et c’est pourquoi je veux la briser ». C’est ainsi que Betül Kaçar, professeure assistante à l’université d’Arizona, qui a été nommée au département de biologie moléculaire et cellulaire, au département d’astronomie et au laboratoire lunaire et planétaire, décrit ses recherches. Ce qui peut sembler insensible est une approche scientifique légitime en astrobiologie.

La traduction génétique est un élément essentiel des cellules de tous les organismes. Ayant subi très peu de changements au cours de milliards d’années d’évolution, il a été qualifié d’”accident évolutif figé dans le temps”. Le ribosome (bleu), qui traduit l’information génétique stockée dans les brins d’ARN en protéines, les éléments constitutifs de la vie, est au cœur de ce mécanisme.

Connue sous le nom de séquençage ancestral, l’idée est de « ressusciter » des séquences génétiques à l’aube des temps, de les mettre en œuvre dans les voies cellulaires des microbes modernes – pensez à Jurassic Park mais avec des gènes éteints à la place des dinosaures, et d’étudier comment l’organisme fait face.

Dans un article publié dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, l’équipe de recherche de Kaçar fait état d’une découverte inattendue : L’évolution, semble-t-il, n’est pas très douée pour le multitâche.

Kaçar utilise le séquençage ancestral pour découvrir ce qui fait que la vie fonctionne et comment les organismes sont façonnés par la pression de la sélection évolutive. Les connaissances acquises peuvent, à leur tour, fournir des indices sur ce qu’il faut aux molécules précurseurs organiques pour donner naissance à la vie, que ce soit sur Terre ou dans des mondes lointains. Dans son laboratoire, Kaçar est spécialisée dans la conception de molécules qui agissent comme de minuscules clés invisibles, faisant des ravages dans la délicate machinerie cellulaire qui permet aux organismes de manger, de se déplacer et de se multiplier, bref, de vivre.

Kaçar a concentré son attention sur la traduction génétique, une horloge moléculaire labyrinthique qui traduit en protéines les informations codées dans l’ADN des bactéries. Tous les organismes – des microbes aux algues, en passant par les arbres et les humains – possèdent ce mécanisme dans leurs cellules.

« Nous faisons une approximation de tout ce qui concerne le passé en nous basant sur ce que nous avons aujourd’hui », a déclaré M. Kaçar. « Toute vie a besoin d’un système de codage – quelque chose qui prend l’information et la transforme en molécules capables d’accomplir des tâches – et c’est exactement ce que fait la traduction génétique. Elle crée l’alphabet de la vie. C’est pourquoi nous la considérons comme un fossile qui est resté largement inchangé, du moins dans son noyau. Si jamais nous trouvons de la vie ailleurs, vous pariez que la première chose que nous regarderons sera ses systèmes de traitement de l’information, et la traduction génétique est justement cela ».

Le mécanisme de traduction génétique est si important pour la vie sur Terre que même sur une période de plus de 3,5 milliards d’années d’évolution, ses parties n’ont pas subi de changements substantiels. Les scientifiques ont parlé d’un « accident évolutif figé dans le temps ».

« Je suppose que j’ai tendance à jouer avec des choses que je ne suis pas censé faire », a déclaré Kaçar. « Gelé dans le temps ? Débloquons-le. Le briser conduirait la cellule à la destruction ? Brisons-la. »

Betül Kaçar étudie les origines de la vie, c’est pourquoi elle est à l’aise dans plusieurs disciplines. Elle est professeure assistante à l’université d’Arizona et occupe des postes dans les départements de biologie moléculaire et cellulaire, d’astronomie et au laboratoire lunaire et planétaire.

Les chercheurs ont pris six souches différentes de la bactérie Escherichia coli et ont génétiquement modifié les cellules avec des composants mutés de leur mécanisme de traduction génétique. Ils ont ciblé l’étape qui alimente l’unité avec l’information génétique en échangeant la protéine navette avec des cousins évolutifs issus d’autres microbes, dont un ancêtre reconstruit d’il y a environ 700 millions d’années.

« Nous entrons dans le cœur de ce que nous pensons être l’une des premières machines de la vie », a déclaré Kaçar. « Nous la brisons intentionnellement un peu, et beaucoup, pour voir comment les cellules traitent ce problème. En faisant cela, nous pensons que nous créons un problème urgent pour la cellule, et qu’elle va le résoudre ».

Ensuite, l’équipe a imité l’évolution en faisant entrer en compétition les souches bactériennes manipulées, comme une version microbienne de « The Hunger Games ». Un millier de générations plus tard, certaines souches se sont mieux comportées que d’autres, comme on pouvait s’y attendre. Mais lorsque l’équipe de Kaçar a analysé exactement comment les bactéries réagissaient aux perturbations de leurs composantes de traduction, elle a découvert quelque chose d’inattendu : Au départ, la sélection naturelle a amélioré la traduction génétique compromise, mais son attention s’est déplacée vers d’autres modules cellulaires avant que la performance de la traduction ne soit complètement rétablie.

Pour découvrir pourquoi, Kaçar a fait appel à Sandeep Venkataram, un expert en génétique des populations de l’université de Californie, à San Diego.

Venkataram compare le processus à un jeu de « whack-a-mole », où chaque molécule représente un module cellulaire. Chaque fois qu’un module subit une mutation, il apparaît. Le marteau qui le fait redescendre est l’action de la sélection naturelle. Les mutations sont réparties de manière aléatoire sur tous les modules, de sorte que toutes les molécules surgissent au hasard.

« Nous nous attendions à ce que le marteau de la sélection naturelle tombe aussi au hasard, mais ce n’est pas ce que nous avons trouvé », a-t-il déclaré. « Au contraire, elle n’agit pas au hasard, mais elle a un fort biais, favorisant les mutations qui fournissent le plus grand avantage en termes de forme physique, tandis qu’elle écrase d’autres mutations moins bénéfiques, même si elles fournissent également un avantage pour l’organisme ».

En d’autres termes, l’évolution n’est pas multitâche lorsqu’il s’agit de résoudre des problèmes.

« Il semble que l’évolution soit myope », a déclaré M. Venkataram. « Elle se concentre sur le problème le plus immédiat, met un pansement et passe ensuite au problème suivant, sans finir complètement le problème sur lequel elle travaillait auparavant. »

« Il s’avère que les cellules règlent leurs problèmes, mais pas de la manière dont nous pourrions les régler », a ajouté Kaçar. « D’une certaine manière, c’est un peu comme organiser un camion de livraison qui roule sur une route cahoteuse. Vous pouvez empiler et organiser un nombre limité de boîtes à la fois avant qu’elles ne soient inévitablement mélangées. Vous n’avez jamais vraiment l’occasion de faire un grand rangement ordonné ».

La raison pour laquelle la sélection naturelle agit de cette manière reste à étudier, mais les recherches ont montré que, dans l’ensemble, le processus aboutit à ce que les auteurs appellent un « blocage de l’évolution » – alors que l’évolution est occupée à résoudre un problème, elle le fait au détriment de tous les autres problèmes qui doivent être résolus. Ils concluent qu’au moins dans les populations en évolution rapide, comme les bactéries, l’adaptation dans certains modules serait bloquée malgré la disponibilité de mutations bénéfiques. Il en résulte une situation dans laquelle les organismes ne peuvent jamais atteindre un état totalement optimisé.

« Le système doit pouvoir être moins qu’optimal pour que l’évolution ait quelque chose à faire face aux perturbations – en d’autres termes, il doit y avoir une marge d’amélioration », a déclaré Mme Kaçar.

Kaçar pense que cette caractéristique de l’évolution peut être la signature de tout système auto-organisé, et elle soupçonne que ce principe a des homologues à tous les niveaux de la hiérarchie biologique, remontant aux débuts de la vie, peut-être même à l’époque prébiotique où la vie ne s’était pas encore matérialisée.

Grâce à un financement continu de la Fondation John Templeton et de la NASA, le groupe de recherche travaille maintenant sur l’utilisation du séquençage ancestral pour remonter encore plus loin dans le temps, a déclaré Mme Kaçar.

« Nous voulons dépouiller encore plus les choses et créer des systèmes qui commencent par ce que nous considérons comme la pré-vie, puis passent à ce que nous considérons comme la vie ».

yogaesoteric
1 octobre 2020