La synthèse des premiers acides aminés reconstituée par ordinateur

Publié par Redbran le 24/04/2021 à 09:00
Source: CNRS INP

Des chercheurs sont parvenus à simuler par des calculs de chimie quantique les différentes étapes du mécanisme de Strecker, considéré comme ayant mené à la synthèse des premiers acides aminés dans l'Univers primordial.


Figure: Fragment de la météorite de Murchison (droite), et particules prélevées pour analyse (dans le tube à essai). Les analyses effectuées ont permis d'identifier des acides aminés dans la météorite.
© United States (Le United States est un paquebot construit en 1952 ; il est le plus grand jamais construit aux...) Department of Energy

La synthèse spontanée des briques élémentaires du vivant dans la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) primordiale, ou dans les météorites, est au coeur de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) prébiotique. Ces synthèses représentent un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de réactions chimiques complexes, du fait du grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de molécules y prenant part, et de la diversité des conditions géochimiques environnantes. En particulier, l'émergence des acides aminés, constituants de base des protéines, est traditionnellement expliquée via le mécanisme dit “de Strecker”, une série de réactions multi-composants en solution aqueuse. Cependant, cette hypothèse n'avait jamais reçu de confirmation rigoureuse par des calculs en chimie quantique (La chimie quantique est l'application de la mécanique quantique aux problèmes de la chimie.), tenant compte également d'une description réaliste de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...).

C'est le cas désormais grâce aux travaux des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de minéralogie, de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) et de cosmochimie (IMPMC, MNHN/CNRS/Sorbonne Univ.), qui ont réalisé une étude au niveau quantique de la synthèse de Strecker des acides aminés, avec une description explicite du solvant (Un solvant (également nommé en suisse romande thinner pour les solvants puissant) est un...). Elle a été publiée le 10 mars 2021 dans Journal of Physical Chemistry Letters.

Pour cette étude, la réaction de Strecker a été découpée en sept sous-réactions, chacune étudiée séparément. Les calculs numériques étant d'une précision quantique, les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) caractéristiques des réactions qui peuvent être étudiée sont de l'ordre de la dizaine de picosecondes. Se restreindre à ces durées ne permettait pas d'explorer un grand nombre de réactions. Pour contourner cela, les chercheurs ont mis au point (Graphie) une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) d'échantillonnage (L'échantillonnage est la sélection d'une partie dans un tout. Il s'agit d'une notion importante...) augmenté, de telle sorte à "faire sortir" les systèmes physico-chimiques de leur minimum local d'énergie libre (En thermodynamique l’énergie libre F (appelée aussi "énergie libre de Helmholtz") est une...), et explorer un paysage (Étymologiquement, le paysage est l'agencement des traits, des caractères, des formes d'un...) chimique plus large. Les chercheurs ont ainsi dirigé le système étudié dans plusieurs directions, afin de reproduire un panel (Le panel est un groupe de personnes interrogées régulièrement sur leurs opinions ou leurs...) très large de réactions, puis de déterminer le chemin le plus efficace effectivement emprunté par les réactifs. Les résultats obtenus sont validés par les quelques résultats expérimentaux existants.

Plus important encore, de nombreuses “zones d'ombre” demeuraient au sujet de certaines étapes de la réaction de Strecker. Cette étude permet de compléter ces résultats expérimentaux lacunaires, fournissant un paysage de référence pour toute la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) étudiant les origines de la vie (La vie est le nom donné :). Enfin, plusieurs observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) expérimentales de composés organiques dans les objets extraterrestres suggèrent de remettre en cause ce mécanisme. Par exemple, dans les météorites, on détecte des molécules "cousines'' des acides aminés, tels les acides hydroxylés, ou d'acides aminés "Bêta" et "Gamma", en compagnie des acides aminés classiques de la famille "Alpha", ce qui ne peut pas être expliqué par le mécanisme de Strecker. La méthode utilisée par les chercheurs suggère que d'autres mécanismes de synthèse prébiotique, qui restent à explorer, sont effectivement possibles.

Référence:
Step by Step Strecker Amino Acid Synthesis from ab Initio Prebiotic Chemistry. Théo Magrino, Fabio Pietrucci, A. Marco Saitta.
Phys. Chem Let. Publié le 10 mars 2021.
DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c00194.
Article disponible sur la base d'archives ouverte hal.

Contacts:
- Théo Magrino - Doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de...), Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie - theo.magrino at sorbonne-universite.fr
- Antonino Marco Saitta - Professeur des universités à Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du...) Univ., l'Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie - marco.saitta at impmc.upmc.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com atb cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr
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