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Posté par Michel le Lundi 07/09/2009 à 00:00
Origines de la vie: le point sur les enzymes ancestrales
Depuis 1995, des chercheurs du Laboratoire de Cristallographie et Cristallogenèse des Protéines (Institut de Biologie Structurale CEA/CNRS/UJF, Grenoble) s’intéressent à une classe de protéines capables de métaboliser différents gaz: les métalloenzymes. Leur connaissance peut-elle nous permettre de mieux comprendre l’origine de la vie (Cet article est consacré aux origines de la vie d'un point de vue scientifique. Les aspects mythiques et religieux sont traités dans l'article Cosmogonie. La...) ? Peut-on développer des applications biotechnologiques s’inspirant du fonctionnement de ces enzymes ? Autant de questions que se posent les chercheurs du monde (Le mot monde peut désigner :) entier. Juan C. Fontecilla-Camps et son équipe ont notamment participé à faire progresser la compréhension des rapports existant entre structure et fonction chez un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) important de ces enzymes, ce qui leur a valu une solide réputation internationale concrétisée par la publication de 3 des 11 articles les plus cités dans le domaine.

Reconnaissant cette longue expertise, la revue Nature a invité ces chercheurs à faire une synthèse des connaissances dans ce domaine pour sa rubrique Insight. Sortie en ligne le 12 août cette revue décrit plusieurs enzymes capables de métaboliser des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...) tel que l’hydrogène (H2), le monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule semi-développée C=O ou –C≡O+, la molécule est composée d'un atome de carbone et d'un atome d'oxygène. Ce...) (CO), le dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone (appelé parfois, de façon impropre « gaz carbonique ») est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont...) (CO2), l’azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz...) (N2) et le méthane (CH4), et met ces résultats en perspective pour tenter de définir le lien qui unit ces protéines à la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) des origines de la vie (La vie est le nom donné :).


Structures tridimensionnelles des enzymes abordées en détail dans la revue Nature

L’hypothèse la plus populaire sur les origines de la vie, dite « autotrophique (1) », postule que le métabolisme primordial s’est développé sur des surfaces minérales composées de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous...) et de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) dans des conditions réductrices (2). Ainsi, des réactions mettant en jeu des sulfures de fer auraient généré de l'hydrogène, qui se serait combiné avec le dioxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) présent dans l'atmosphère pour former des molécules organiques. Lors du développement de la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...), il y a entre 4,6 et 3,5 milliards d’années, l’atmosphère était probablement riche en gaz tels que l’H2, le CO et le CO2, et les océans, très chauds par endroits, étaient relativement riches en ions métalliques tels que le Fe2+ et le Ni2+. Les organismes photosynthétiques n’apparaissant que vers 2,2 milliards d’années, le biotope de l’époque devait prospérer en absence d’oxygène et indépendamment de l’énergie solaire. On pense actuellement que les premiers organismes utilisaient l’H2 comme source d’énergie et le CO2 comme source de carbone.

De telles conditions environnementales se retrouvent dans certaines sources thermales, au plus profond des océans, comme dans les fumeurs noirs (3), ou dans le système digestif des animaux. Certains organismes actuels sont capables de survivre dans ces conditions, essentiellement grâce à l’énergie obtenue à partir des métalloenzymes. Que sait-on aujourd’hui de la structure, de la complexité et du mécanisme d’action de ces enzymes ? Grâce à l’apport de la spectroscopie, de la cristallographie aux rayons X, des études de modélisations informatiques et chimiques, certains aspects du fonctionnement et de la nature de ces enzymes ont pu être caractérisés. A partir de quelques exemples étudiés très en détail, les points essentiels de ces connaissances sont rappelés et discutés, avec en perspectives une avancée dans la compréhension des origines de la vie et le développement potentiel d’applications biotechnologiques. Structurée autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de 6 parties, la revue aborde sous différents angles les connaissances sur la structure et la synthèse de ces enzymes:

* Les sites actifs: Le site actif d’une enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant d'abaisser l'énergie d'activation d'une réaction et d'accélérer jusqu'à des millions de fois les...) est le lieu ou se déroule la réaction qu’elle catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est en général en...) (4). Les caractéristiques des sites actifs des différentes métalloenzymes sont désormais assez bien connus. Cette partie fait le bilan des connaissances sur leur structure en soulignant leurs points communs et leurs différences.

* La catalyse: A partir de données expérimentales et de modélisations théoriques, combinant résultats et hypothèses, cette partie aborde les mécanismes possibles de la catalyse de chacune des sept métalloprotéines présentées dans la revue.

* Structure et tunnels: Cette partie rassemble les données sur la structure des enzymes. Leur analyse révèle qu’elles sont plus ou moins complexes, allant de structures monomériques, c'est-à-dire constituées d’une seule unité de base ou chaîne polypeptidique, à des assemblages multimériques composés de plusieurs monomères différents. Ces enzymes possèdent dans leur structure des tunnels qui permettent l’accès et/ou la sortie des gaz au niveau du site actif. Cette partie aborde les connaissances actuelles sur les mécanismes et la vitesse (On distingue :) de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à...) des gaz à l’intérieur des tunnels, ainsi que sur leur régulation par des changements de structure des protéines.

* Biosynthèse des sites actifs: Les modalités de synthèse et d’assemblage du site actif à l’intérieur de la protéine peuvent également varier selon les enzymes. Comprendre les différentes étapes de cette biosynthèse peut à la fois permettre de mieux comprendre l’évolution et de développer des applications biotechnologiques potentielles.

* Synthèse de petites molécules analogues (5): Cette partie détaille les recherches visant à synthétiser des composés s’inspirant des sites actifs de ces métallo-enzymes, avec à la clé le développement d’applications biotechnologiques potentielles. Par exemple, la mise au point (Graphie) d’hydrogénases utilisant le nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) ou le fer à la place du platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.), rare et cher, serait d’un intérêt majeur pour améliorer la production industrielle d’hydrogène et ainsi faire face à la demande croissante de la société.

* Les perspectives: Maintenant que la plupart des sites actifs de ces enzymes ont été caractérisés, les nouveaux challenges vont consister en la caractérisation de la structure des intermédiaires des réactions afin d’affiner le mécanisme d’action des enzymes et de comprendre comment se fait la biosynthèse du site actif. Chacune de ces avancées nous rapproche de la compréhension des origines de la vie.


Notes:

(1) L’autotrophie caractérise un organisme capable de synthétiser de la matière organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) à partir de matière inorganique, contrairement aux hétérotrophes qui doivent absorber de la matière organique préalablement synthétisée.
(2) Conditions chimiques favorisant le gain d’électrons
(3) Fumeurs noirs: sorte de geysers sous-marins localisés sur les dorsales océaniques, par lesquels l’eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) du manteau terrestre est transférée aux eaux océaniques. L’aspect noir de ces eaux provient de la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) noire des sels de fer et de manganèse qu’elles contiennent.
(4) La catalyse est l'action d'une substance qui augmente la vitesse d’une réaction chimique.
(5) Analogue: molécule ayant les mêmes propriétés structurales ou fonctionnelles que la molécule d’intérêt.


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Source: CEA
Illustration: Nature