Origine des molécules du vivant: formation de liaisons peptidiques par irradiation ionique

Publié par Redbran le 10/08/2020 à 13:00
Source: CEA IRAMIS
La recherche de l'origine de la vie demande d'identifier chaque étape élémentaire d'une longue chaine de processus pouvant, à partir des atomes issus de la nucléosynthèse au coeur des étoiles (essentiellement de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) au fer) ou sous l'effet de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la...) finale des supernovæ (éléments lourds au-delà du fer), conduire à la formation des générations successives de molécules de plus en plus complexes, pour aboutir aux molécules constitutives du vivant telles qu'elles sont présentes sur 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 existe de nombreuses preuves montrant que les premières étapes, jusqu'à la formation d'acides aminés, peuvent se produire dans l'espace.

Au-delà, l'évolution vers des molécules de complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri...) croissante passe par la création de liaisons peptidiques permettant l'assemblage d'acides aminés. L'équipe du CIMAP, en association avec des équipes de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Autonome de Madrid (Madrid est la capitale de l'Espagne. Ville la plus vaste et la plus peuplée du pays, c'est le chef-lieu de la Communauté autonome de Madrid qui appartient à la province de...), montre par des travaux couplant expérience et théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) que les collisions de particules alpha (ou noyau d'hélium) ayant des énergies typiques des vents stellaires peuvent former dans l'espace des liaisons peptidiques au sein d'agrégats d'acides aminés.


Du fait de la très faible densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure...) du milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement extrêmement ténu, avec des densités typiques allant de 10 à...), des nuages protostellaires ou de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une dimension...) des étoiles, si les réactions de synthèse de molécules complexes peuvent être rares dans l'espace et peu efficaces, elles se produisent sur des millions d'années. On observe ainsi par exemple que l'irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants : rayons alpha, bêta, gamma, protons...) de glaces contenant du 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.) (H2O, CO, NH3, CH3OH...) conduit, même si les sections efficaces sont faibles, à la formation d'acides aminés, tels que l'on peut les retrouver sur certaines météorites*. Les acides aminés étant ainsi présents dans l'espace, la réalisation de liaisons peptidiques (liaison entre le groupe amine -NH2 d'un acide aminé (Un acide aminé est une molécule organique possédant un squelette carboné et deux fonctions : une amine (-NH2) et un acide carboxylique (-COOH). Les acides aminés sont les unités...) et le groupe acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique...) carboxylique -COOH d'un autre acide aminé) est l'étape suivante indispensable à la formation de molécules biologiquement actives. Cette réaction pouvant se produire sur Terre ou dans l'espace.

L'équipe AMA du CIMAP, en association avec des équipes de l'Université Autonome de Madrid, a ainsi étudié expérimentalement au laboratoire, la possibilité de formation de liaisons peptidiques par collisions simples d'ions He2+ de faible énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (ou particules α), à des énergies d'impact typiques du vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le Soleil,...), avec des groupes de molécules d'alanine β (β-ala, NH2CH2CH2COOH) faiblement liées. Les produits cationiques sont analysés par spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse (mass spectrometry ou MS) est une technique physique d'analyse permettant de détecter et d'identifier des molécules...) à temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de vol, et l'on observe divers produits fractionnaires entre les polypeptides (β-ala)n, et parmi ceux-ci des peptides clairement identifiables.


Spectres de masse montrant les produits de réaction ionisés une fois, résultant des collisions entre des projectiles He2+ de 30 keV et des agrégats froids d'alanine β (masse 89). Courbes bleues: intensité x 10. En haut: masses entre monomère et dimère (89-178) ; en bas: masses entre dimère et trimère (178 - 267). Les clusters dominants sont protonés [(β−ala)nH]+, m/z = 90, 179, et 268. Les peptides produits par collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) avec les ions He2+ sont mentionnés en orange.

Il est ainsi montré que les liaisons peptidiques sont efficacement formées par l'émission de molécules d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), conduisant à la formation de molécules complexes pouvant aller jusqu'à la formation de tétrapeptides (assemblage de 4 acides aminés). Les spectres de masse des produits de fragmentation sont ensuite comparés à des résultats de simulations de dynamique moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de particules au cours du temps. Ces simulations servent de modèles structuraux et dynamiques pour la compréhension...), où une exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) exhaustive des surfaces potentielles énergétiques a été menée.

Cette formation de polypeptides par collision avec les ions He2+ est obtenue par ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors appelé ion.) des molécules par transfert de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) depuis l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par...) et excitation électronique par transfert d'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail...) du projectile au système de molécules. Ce processus est suivi par un transfert de protons qui conduit à des amas moléculaires transitoires, faiblement liés et protonés. Ces entités sont ensuite stabilisées par la formation des liaisons peptidiques, ce qui libère des molécules d'eau via des chemins réactionnels où les barrières énergétiques sont faibles. Une des spécificités essentielles de cette chaine réactionnelle est la faible excitation du système, résultant de la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste...) électronique lointaine et du caractère léger de l'ion.


Exploration systématique des surfaces potentielles énergétiques à partir (en bas à gauche) d'un dimère d'acide aminé protoné. Le schéma montre ainsi la voie réactionnelle vers la formation du dipeptide m/z = 161, noté 161+, observé expérimentalement, et la formation de divers fragments.

Ainsi, ces résultats montrent que la collision d'ions énergétiques avec des petits groupes d'acides aminés est une voie plausible de formation de polypeptides dans l'espace. Ces collisions pouvant être retenues parmi les processus à l'origine de la formation des molécules complexes du vivant.

Ces recherches couplant expérience et théorie ont été menées dans le cadre du laboratoire collaboratif international (LIA) DYNAMO (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique. Elle a été inventée en Belgique en 1869 par Zénobe...) (Fragmentation DYNAmics of complex MOlecular systems).

Références:

[1] Polypeptide formation in clusters of β-alanine amino acids by single ion impact
P. Rousseau, D. G. Piekarski, M. Capron, A. Domaracka, L. Adoui, F. Martín, M. Alcamí, S. Díaz-Tendero and B. A. Huber, Nature Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications,...) (2020).

*Voir les faits marquants antérieurs:
- La possible contribution des ions lourds à la formation de molécules complexes carbonées dans l'espace interstellaire: expériences et modélisations
- Astrochimie (L'Astrochimie est l'étude des éléments chimiques trouvés dans l'espace lointain, habituellement dans des nuages de gaz moléculaire, ainsi que leur formation, leurs interactions et leur destruction. En d'autres termes, l'astrochimie...): formation de molécules sur Europa par implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) d'ions

Contact CEA-IRAMIS: Patrick Rousseau (CIMAP/AMA)

Collaboration:
- Patrick Rousseau, Michael Capron, Alicja Domaracka, Lamri Adoui & Bernd A. Huber: Normandie Univ, ENSICAEN, UNICAEN, CEA, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), CIMAP, 14000, Caen, France
- Dariusz G. Piekarski, Fernando Martín, Manuel Alcamí & Sergio Díaz-Tendero: Departamento de Química, Módulo 13, Universidad Autónoma de Madrid, 28049, Madrid, Spain
- Fernando Martín & Sergio Díaz-Tendero: Condensed Matter Physics Center (IFIMAC), Universidad Autónoma de Madrid, 28049, Madrid, Spain
- Fernando Martín & Manuel Alcamí: Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencias (IMDEA-Nanociencia), Cantoblanco, 28049, Madrid, Spain
- Manuel Alcamí & Sergio Díaz-Tendero: Institute for Advanced Research in Chemical Sciences (IAdChem), Universidad Autónoma de Madrid, 28049, Madrid, Spain.
Cet article vous a plu ? Vous souhaitez nous soutenir ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis et/ou commentez-le, ceci nous encouragera à publier davantage de sujets similaires !
Page générée en 2.290 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique