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Physique subatomique - Sciences de l'Univers - Structure et histoire de la Terre (CE31)
Edition 2015


PREBIOM


Terre primitive - Interactions entre biomolécules et minéraux de l'hydrothermalisme océanique

Rôle des surfaces minérales dans l’apparition de la vie
L’objectif du projet PREBIOM n’est certainement pas de résoudre la question complexe de l’origine de vie, mais d’explorer un volet sur lequel on peut obtenir des résultats significatifs en quelques années, à savoir la concentration des briques élémentaires de la vie tels que les acides aminés et les nucléotides jusqu’à des valeurs telles qu’elles permettre la polymérisation qui est un prérequis à la formation des proto-biopolymères de protéines et d’acides nucléiques.

Interactions entre les molécules prébiotiques et les surfaces minérales dans le contexte de l’origine de la vie.
Nous sommes bien au fait de l’existence d’hypothèses alternatives pour expliquer la complexification des systèmes biologiques, et nous ne les excluons pas, mais l’objectif du projet PREBIOM est d’explorer la chimie à l’interface avec les minéraux. Le projet PREBIOM (Primitive Earth Biomolecules Interacting with Oceanic Minerals) concentre les efforts sur les minéraux qui étaient abondants dans l’océan hadéen et aux conditions de pression et de température qui sont caractéristiques des systèmes hydrothermaux océaniques. Nous ciblons une série de minéraux qui dérivent de l’altération hydrothermale des péridotites, komatiites, basaltes et gabbros et qui comprend les serpentines, le talc, la brucite, des argiles riches en Mg et Fe, et des oxydes et sulfures de fer. Nous allons mesurer les isothermes d’adsorption des acides aminés et des nucléotides à pression ambiante quand elles ne sont pas disponibles et en conditions hydrothermales. L’adsorption de molécules organiques en conditions hydrothermales n’a jamais été réalisée alors que les synthèses de molécules en conditions hydrothermales offrent souvent des mécanismes réactionnels énergétiquement favorables. L’interprétation des isothermes d’adsorption, complétée par des analyses spectroscopiques ex situ et in situ des molécules adsorbées et des calculs théoriques devraient permettre une compréhension détaillée des mécanismes réactionnels de condensation, d’adsorption et de polymérisation. En compléments de l’étude de minéraux individuels, les expériences seront aussi réalisées sur de la silice à très haute surface réactive en tant que modèle et sur des échantillons naturels de cheminées hydrothermales blanches et noires représentatives des trois types de systèmes hydrothermaux connus à ce jour.

Quantification et mécanismes d‘adsorption sur des surfaces minérales contrôlées, en conditions hydrothermales
La plupart des minéraux produits de l’altération hydrothermale des péridotites, komatiites, basaltes et gabbros ont été soit achetés ou collectés, soit synthétisés. Leur surface spécifique a été mesurée par BET à partir d’isothermes de sorption d’azote. La microscopie électronique en transmission et la diffusion des rayons X aux petits angles permettent de déterminer la taille des particules. La charge est mesurée par échange de cations par la cobalt hexamine (III). L’adsorption de gaz à haute résolution et la microscopie à force atomique permettent de déterminer la forme des particules minérales. Ce projet regroupe une suite unique de méthodes de caractérisation des surfaces minérales finement divisées.
Les expériences de condensation, adsorption et polymérisation sont menées selon les protocoles conventionnels. Une innovation importante est la réalisation d’expériences d’adsorption en conditions hydrothermales, aux conditions de pression, de température et de oxydoréduction caractéristiques des fumeurs. L’adsorption est quantifiée par spectrométrie UV-visible, pour élaborer les isothermes d’adsorption. Des analyses thermogravimétriques apportent les données complémentaires pour la condensation et la polymérisation. Les mécanismes de condensation, adsorption et polymérisation seront également déterminés à partir de mesures complémentaires de diffraction de rayons X et de méthodes spectroscopiques. La plupart des analyses seront effectuées ex situ et certaines in situ au LGL qui est équipé pour la spectroscopie in situ à haute pression et température.
L’interprétation des données expérimentales en termes de rendement et de mécanisme réactionnel bénéficiera largement des résultats des simulations numériques et des modèles de complexation de surface. La collaboration entre les volets expérimentaux et théoriques est tout à fait innovante sur ce sujet.

Résultats

Nous avons étudié l’adsorption des monomères d’ARN et d’ADN sur les minéraux qui étaient probablement abondants dans l’environnement primitif de la terre : des argiles gonflantes et des phyllosilicates non gonflants riches en Fe et Mg en suspension dans une solution aqueuse saline analogue à l’eau de mer. Nous avons montré que l’ADN s’adsorbe beaucoup plus fortement que l’ARN, et que les monomères à nucléobase guanine s’adsorbent mieux que ceux à base de cytosine. Nous proposons que les nucléotides se comportent comme des molécules homologues vis à vis de leur adsorption sur les surfaces minérales étudiées. A pH 7 et à concentration modérée, les nucléotides s’adsorbent par échange de ligand entre le groupe phosphate et les groupements hydroxyles des surfaces latérales jusqu’à leur saturation. Au dessous de pH 4, les argiles gonflantes adsorbent aussi les nucléotides par échange de cations sur leur surface basale. Aussi proposons-nous que les phyllosilicates riches en Fe et Mg adsorbent fortement les nucléotides et les concentrent environ 1000 fois par rapport au milieu ambiant. Parmi les minéraux étudiés, la nontronite présente la meilleure capacité d’adsorption et a pu joué un rôle dans la concentration et la polymérisation des nucléotides dans l’environnement primitif. Même si la salinité de l’océan primitif reste un sujet très débattu, nous montrons aussi que la capacité d’adsorption des argiles gonflantes est en fait très sensible à la concentration et à la nature du sel dans l’océan. Un océan hadéen plus riche en cations divalents que l’océan moderne aurait largement facilité d’adsorption des nucléotides sur les surfaces minérales et potentiellement favorisé leur polymérisation. Enfin, nous montrons que les acides aminés polymérisent rapidement en conditions hydrothermales sur une gamme de pression précise et que le rendement de la réaction dépend fortement de la présence de surfaces minérales catalytiques, telles que la magnétite.

Perspectives

Le projet PREBIOM traite d’une question fondamentale qui a fait et fait encore l’objet de débats passionnés, i.e. les mécanismes qui ont permis l’émergence de la vie sur Terre. Nous n’attendons pas d’innovation technologique ou de bénéfice économique majeur du projet PREBIOM, en revanche nous espérons que nos découvertes en lien avec l’origine de la vie et le rôle des surfaces minérales auront un impcat important sur la commuauté scientifique interdisciplinaire qui s’intéresse à la question de l’origine de la vie et que nous saurons suscité l’intérêt du public.

Productions scientifiques et brevets

Trois doctorants travaillent ont déjà travaillé sur le sujet et l’une a déjà soutenu sa thèse, les deux autres à l’automne 2017. Trois étudiants en master et plusieurs étudiants en licence ont également contribué au projet PREBIOM au cours de leur stage de recherche.
Six articles ont été publiés ou sont en cours de publication, la plupart sur des données obtenues antérieurement au démarrage de PREBIOM.
Les résultats des travaux ont donné lieu à dix communications dans des conférences nationales et internationales dans différents domaines, dont deux conférences plénières.

Partenaires

GL John Hopkins University and Carnegie Institution of Washington

LIEC-UMR 7360 Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux

LRS CNRS DR IDF SECTEUR PARIS B

PHENIX CNRS DR IDF SECTEUR PARIS B

UCBL UNIVERSITE LYON 1 CLAUDE BERNARD

Aide de l'ANR 353 392 euros
Début et durée du projet scientifique novembre 2015 - 42 mois

Résumé de soumission

La question de l’origine de la vie est vaste, y répondre est difficile et nécessite d’intégrer de nombreux concepts de disciplines variées telles que la biologie, la chimie, l’astrophysique et les sciences de la Terre et des planètes. L’objectif de ce projet n’est évidemment pas de résoudre l’origine de la vie mais de cibler un aspect gérable en trois années et demi. Il s’agit de la concentration des briques élémentaire de la vie tels que les acides aminés et les nucléotides sur les surfaces minérales à un niveau suffisant pour la polymérisation, qui une étape indispensable pour former les premiers proto-biopolymères des protéines et d’acides nucléiques. Nous n’excluons pas les autres possibilités pour le développement de la Vie, mais nous allons explorer en priorité expérimentalement et théoriquement la chimie à la surface de minéraux très bien caractérisés. Le projet PREBIOM (Primitive Earth Biomolecules Interacting with Oceanic Minerals) est centré sur les minéraux qui étaient présents dans l’océan Hadéen aux conditions de pression et de température des systèmes hydrothermaux océaniques. Nous avons identifié une série de minéraux qui résultent de l’altération hydrothermale des péridotites, komatiites, basaltes et gabbros. Sont inclus les serpentines, le talc, la brucite, les argiles riches en fer et en magnésium telles que la nontronite et la saponite, les oxydes et les sulfures de fer. Nous mesurerons les isothermes d’adsorption à pression ambiante lorsqu’elles ne sont pas encore disponibles ainsi qu’en conditions hydrothermales. A notre connaissance, l’adsorption de molécules organiques n’a pas été étudiée en conditions hydrothermales alors que la synthèse hydrothermale de molécules organiques permet pourtant d’accéder à des mécanismes réactionnels plus faciles pour la condensation et la polymérisation de biomomécules. L’interprétation des isothermes d’adsorption sera complétée par des analyses in situ et ex situ des molécules adsorbées et par des calculs théoriques. L’ensemble devrait conduire à une compréhension détaillée des mécanismes réactionnels de condensation, d’adsorption et de polymérisation en conditions hydrothermales. En plus des minéraux cités ci-dessus, les isothermes d’adsorptions seront également mesurées sur de la silice haute surface en tant que matériau modèle d’une part et d’autre part sur des échantillons naturels de fumeurs blancs et noirs, représentatifs des trois types de contextes hydrothermaux océaniques connus à ce jour. Le consortium PREBIOM est interdisciplinaire, avec cinq partenaires (LGL, Lyon ; LRS, Paris ; PhENIx, Paris ; LIEC, Nancy ; JHU/GL-CIW, Washington, USA), tous déjà impliqués dans l’étude des interactions entre molécules organiques et surfaces minérales. Certains partenaires ont déjà travaillé ensemble. Le consortium a été étendu et implique à présent des savoirs faire expérimentaux, analytiques et théoriques en minéralogie, chimie, chimie physique et géologie. La collaboration entre expérimentateurs et théoriciens est inédite sur ce sujet. Le projet PREBIOM conduira sans aucun doute à des résultats importants, fondamentaux sur la condensation et la polymérisation dans des conditions jusque là inexplorées mais qui étaient probablement celle qui ont prévalu lors de la synthèse organique abiotique des protéines et des acides nucléiques de longueur de chaine modeste. Ces résultats constituent également un socle pour les modélisations (géo)chimique et thermodynamique de l’origine de la vie. La sélection éclairée des surfaces minérales, des biomonomères et des conditions thermodynamiques permettra certainement d’apporter des contraintes sur l’environnement géologique qui a pu permettre certaines étapes de l’émergence de la vie. Les résultats de ce projet seront largement communiqués au travers de publications, de communications à des conférences internationales et retiendront peut-être l’attention du grand public généralement curieux de l’origine de la vie.

 

Programme ANR : Physique subatomique - Sciences de l'Univers - Structure et histoire de la Terre (CE31) 2015

Référence projet : ANR-15-CE31-0010

Coordinateur du projet :
Madame Isabelle Daniel (UNIVERSITE LYON 1 CLAUDE BERNARD)

Site internet du projet : http://prebiom.univ-lyon1.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.