Quelle vie, ailleurs ?

 

Dans un article précédent, on a fait la connaissance avec Steven Benner, qui travaille depuis longtemps sur les formes artificielles d’ADN. Dans le Journal of Design and Science du MIT, il a participé à un long entretien avec l’historien des sciences Luis Campos, sur la nature de l’astrobiologie et sur les formes alternatives que peut prendre le vivant.

Pour Benner, une vraie réflexion sur la vie extraterrestre doit commencer par un travail sur la chimie. Il souligne que dans cette science, il existe deux procédés fondamentaux. L’analyse et la synthèse. L’analyse consiste à comprendre les constituants d’un produit déjà existant. La synthèse au contraire, vise à construire un nouveau composé, une nouvelle molécule à partir d’éléments de base. On considère en général la synthèse sous l’angle technologique, mais on oublie de préciser, nous dit Benner, qu’il s’agit avant tout d’un instrument pour la recherche. En effectuant la synthèse d’un produit, on peut vérifier la validité une théorie sur la composition des éléments et leurs interactions.
Si la synthèse est un succès alors c’est que la théorie est correcte.

Ce n’est pas un procédé disponible dans toutes les sciences. « Les astronomes, par exemple, ne peuvent pas synthétiser une nouvelle étoile pour tester une théorie sur les étoiles. Jusqu’aux 30 dernières années, les biologistes ne pouvaient pas synthétiser de nouvelles formes de vie pour tester leur compréhension de la vie. L’une des raisons pour lesquelles la chimie a progressé si rapidement est sa capacité à créer de nouvelles matières chimiques. »

Lorsqu’on s’intéresse aux formes de vie alternatives, la synthèse peut être un outil fondamental. Mais, précise Benner le but n’est pas simplement de reproduire la structure exacte d’un être vivant très compliqué. Le but d’un tel travail est de voir s’il existe des nouvelles structures chimiques capables de posséder les caractéristiques propres au darwinisme. Benner appelle cela le « darwinisme minimal » : « une faculté de réplication produisant des erreurs et où ces erreurs sont elles-mêmes réplicables« .

Se pose naturellement la question de structures chimiques différentes de celle que nous connaissons, basée sur le carbone. Lorsqu’on a affaire à des formes de vie macroscopiques, pas de problème pour les reconnaître facilement. Benner rappelle que Carl Sagan insistait pour placer des caméras sur les sondes exploratrices, parce que si une girafe basée sur le silicium et non sur le carbone passe devant l’objectif, on n’aura pas besoin de connaître sa structure chimique pour être certain qu’on a affaire à une forme de vie ! Mais, pour repérer de microbes, c’est une autre paire de manches !

On a coutume de dire qu’une forme de vie basée sur le silicium est peu vraisemblable, parce que le silicium, contrairement au carbone, a du mal à s’associer avec d’autres éléments chimiques. Mais pour Benner, ce genre de raisonnement reste limité. Tout d’abord que signifie « être basé sur le carbone » ? Les choses sont plus compliquées que cela, rappelle-t-il. « Dans quel sens êtes-vous une forme de vie basée sur le carbone ? Oui, vous avez beaucoup de carbone en vous, mais ce sont les autres atomes, l’oxygène et le phosphore, l’azote et le soufre qui donnent au carbone sa précieuse réactivité. Il en irait de même pour toute forme de vie à base de silicium : d’autres atomes seraient impliqués, notamment le carbone, l’oxygène et l’azote. »

Du coup la recherche systématique de certains facteurs, comme la présence d’eau liquide, pourrait s’avérer bien trop limitative. C’est vrai que la vie a probablement besoin d’un solvant, mais il n’est pas indispensable que ce soit de l’eau.

Lorsqu’on aborde la question de l’astrobiologie, on se pose nécessairement la question de la contingence. On a déjà expliqué dans l’article précédent que selon Benner, le triomphe de l’ADN, malgré sa profonde imperfection chimique, est du probablement à cette contingence. Ce fut la première molécule capable de réplication, et par conséquent c’est elle qui s’est imposée comme unique source de la vie sur terre. Cette question de la contingence est naturellement très présente en astrobiologie. A quoi pourrait ressembler une vie extraterrestre, si jamais nous la rencontrons ? Se pourrait-il que l’évolution ne propose qu’un éventail de formes limitées ? Pour reprendre l’exemple de Carl Sagan, une girafe reste une girafe, même si elle n’est pas basée sur du carbone. Et si l’évolution suit un schéma universel, alors il ne faudra pas s’étonner si des êtres intelligents se révèlent plus ou moins proches des êtres humains – même si c’est en un peu plus vert.

Cette question de la contingence a été soulevée par de nombreux chercheurs, mais sa formulation la plus connue est sans doute celle de Stephen Jay Gould : « rembobinez le film de la vie jusqu’à l’apparition des animaux multicellulaires modernes, puis repassez le film et l’évolution repeuplera la Terre de créatures radicalement différentes. La probabilité de voir apparaître une créature ressemblant, même de loin, à un être humain est effectivement nulle. »

Pourtant, des animaux issus de lignées différentes peuvent développer des organes et des formes très similaires. L’aile de la chauve-souris, par exemple ne « descend » pas de celle des oiseaux. Les ancêtres des dauphins ont développé une forme proche du poisson, parce qu’il s’agit de la manière la plus efficace pour se déplacer dans l’eau. C’est ce qu’on appelle l’évolution convergente.

La question du rôle du hasard, de la contingence n’est donc pas encore complètement tranchée. Un biologiste, Zachary Blount – en compagnie de Jonathan Losos (@JLosos) et Richard Lensky – s’est attaqué à clarifier la question (à défaut de lui trouver une réponse), nous explique Astrobiology Magazine.

En fait il y a une grande confusion derrière le concept de « contingence » : « Gould a souvent confondu deux significations communes de «contingence» : en tant que dépendance à autre chose et en tant qu’événement fortuit. » Selon Jonathan Losos : « Il existe de nombreuses littératures différentes sur l’idée de Gould, et ces littératures ne se parlent pas ». « Il y a des études sur l’évolution microbienne. Il y a toutes celles sur l’évolution convergente, ou le manque d’évolution convergente. Et il y a aussi une littérature philosophique sur ce que Gould voulait dire quand il disait : « rejouez le film ». Plus généralement, quand vous parlez du rôle de la contingence – le terme utilisé par Gould – qu’est-ce que cela signifie réellement ? »

Le travail effectué par Zachary Blount(.pdf), publié dans American Scientist a consisté essentiellement à réunir des disciplines qui ne se parlent pas qui ont mis en parallèle trois types d’études effectuées séparément, toutes impliquant une certaine manière de « rejouer le film de la vie ». Il a ainsi examiné les recherches en laboratoire sur les populations microbiennes, les expériences effectuées en pleine nature et enfin les études portant sur le comportement de différentes lignées dans un environnement analogue.

Les résultats sont mitigés. Dans certains cas, la contingence n’est pas de mise. Comme l’explique l’article d’American Scientist : une des leçons est que l’idée de Gould selon laquelle l’évolution est complètement irremplaçable est incorrecte. À travers les Grandes Antilles, les espèces d’anolis ont évolué de manière prévisible, avec des modifications de traits similaires correspondant à des habitats comparables. La sélection naturelle entraîne des résultats similaires en cas de conditions analogues, montrant que l’évolution peut se répéter et se répète effectivement.

Mais ce qui est vrai pour ces lézards ne l’est pas forcément toujours dans tous les cas. Pour preuve ce travail de longue haleine initié par Lenski sur des souches d’E Coli, suivant leurs mutations au cours des différentes générations. Il a ainsi suivi 12 lignées différentes en parallèle. Dans ce cas, la situation n’était pas la même qu’aux Caraïbes. L’environnement était stable et les différentes lignées ne subissaient aucune pression évolutive particulière. Donc, l’évolution ne pouvait se produire qu’en fonction de mutations aléatoires.

Ces populations, nous dit l’article, ont souvent évolué de la même manière. Le niveau d’adaptation était grosso modo similaire. « Toutes les variétés se sont mises à se développer plus vite en absorbant du glucose. Beaucoup ont perdu la capacité de se nourrir de certaines substances qu’elles ne rencontraient plus ».

Certes, il y eut aussi des divergences, mais globalement, on peut dire que leur évolution a suivi un déroulement assez proche. Sauf – et c’est important – dans un cas. Une variété particulière a adopté un chemin très particulier, apprenant à se nourrir de citrate. Blount, après avoir essayé de « rejouer le film » en repartant de la souche de base, a pu établir que cette nouvelle bactérie n’avait pu développer cette capacité qu’en suivant un parcours de mutations très particulier au cours de 20 000 générations. Dans ce cas précis, cette mutation très importante pouvait être considérée comme hautement « contingente ».

Pour Blount, on ne peut pas régler facilement le problème de la contingence. Et cette tâche doit être multidisciplinaire, impliquant des biologistes spécialisés dans différents domaines, mais concerne également des philosophes, car une telle notion mérite de bénéficier d’une grande rigueur conceptuelle et doit reposer sur des définitions précises.

Toutes ces questions nous montrent le besoin de développer une biologie théorique générale, indépendante de l’unique implémentation du vivant que nous connaissons sur Terre. Mais quels outils pour cette science ? Utilisera-t-on des mathématiques traditionnelles ? Ou recourra-t-on plutôt aux machines ?

De nouvelles lettres pour l'alphabet du vivant

Ces dernières années, divers chercheurs se sont attachés à agrandir l’alphabet génétique, sur lequel repose la structure de l’ADN, en vue d’en tirer des applications technologiques, mais également (et peut-être surtout) pour comprendre la nature de la vie elle-même.

Le travail a commencé à aboutir en 2014, lorsque Floyd Romesberg (@Romesberglab) se montra en mesure de créer le premier organisme « semi-synthétique » dont l’ADN possède deux bases supplémentaires, surnommées X et Y. En 2017, il a perfectionné son exploit en créant une bactérie E.coli semi-synthétique utilisant ces nouvelles bases pour produire une protéine rendant l’organisme fluorescent, apportant ainsi la preuve qu’une action avait réellement eu lieu.

Perfectionner l’ADN

Un petit rappel de nos cours en biologie peut s’avérer nécessaire. Le code génétique repose sur un alphabet de 4 lettres, couramment notées A, G, C et T. Ces quatre bases s’assemblent en codons de trois lettres seulement : par exemple ACG ou GCT… Il ne peut exister en tout que 64 combinaisons possibles.
Chaque codon produit, de manière indirecte (via une autre molécule, l’ARN, et passage dans le ribosome), un acide aminé spécifique. Les êtres vivants sur terre ne disposent que de 20 acides aminés (certains organismes en produisent un peu plus, 21 ou 22). Les acides aminés sont les constituants de base de macromolécules, les protéines, qui sont les briques de base du vivant.

Ce qu’on appelle un gène est un ensemble de codons produisant ensemble une protéine. Comment l’ADN sait-il s’arrêter, stopper la production d’acides aminés au moment où la protéine est construite ? Il utilise pour cela des codons particuliers, nommés les codons STOP, qui arrêtent au bon endroit la production de ces molécules.

Mais finalement, un alphabet de quatre lettres, c’est très peu. Steven Benner, qui travaille depuis des années sur le sujet, n’est pas impressionné par la beauté de la « double hélice » de l’ADN, nous raconte le New Scientist : « Quand on observe l’ADN, ce qu’on remarque, c’est l’imperfection », explique-t-il. « Nous pensons pouvoir faire mieux ». Le travail de Romesberg, en ajoutant 2 bases X et Y, a permis de faire exploser le nombre de codons disponibles. On est passé de 64 à 216.

Steven Benner a été encore plus loin, puisqu’il a élaboré un alphabet de 12 lettres. Mais contrairement à Romesberg, son travail est plus théorique. Il n’a en effet pas encore placé ses nouvelles bases au sein d’une créature vivante.

De son côté, le magazine Quanta nous rappelle qu’il existe d’autres manières de modifier la structure du code génétique sans pour autant ajouter de nouvelles bases. George Church, par exemple, travaille sur les codons redondants (qui codent le même aminoacide) afin de rendre ces derniers capables de générer de nouvelles molécules, non standards. Jason Chin, un biochimiste britannique cherche lui à « fabriquer » un ribosome susceptible de lire des séquences de quatre lettres et non plus seulement trois.

Quel peut être l’intérêt de ces travaux sur l’ADN ? Les applications sont multiples et concernent surtout l’industrie et la médecine. En effet, cela peut nous permettre de coder de nouvelles protéines aux potentialités inédites. Par exemple, en chimie, on pourrait élaborer de nouveaux catalyseurs.

De son côté Romesberg créé sa propre compagnie, Synthorx qui travaille sur un médicament contre le cancer, nous apprend The Economist. La protéine concernée est l’interleukine 2, une molécule qui a la capacité d’attaquer les tumeurs, mais qui dans le même temps se révèle terriblement toxique pour l’organisme. L’interleukine 2 s’associe aux lymphocytes (les cellules du système immunitaire) par trois sites, nommés respectivement alpha, bêta et gamma. Problème, la liaison avec le site alpha est responsable de la toxicité du produit. Mais celle-ci peut être bloquée par des molécules de polyéthylène glycol (abrégé PEG). La question est : comment attirer ces molécules PEGS ? C’est ici qu’entrent en jeu les bases artificielles de Romesberg. Grâce à celles-ci les PEGS viennent s’attacher spontanément à l’interleukine 2, bloquant l’association avec le site alpha. Le nouveau produit a été testé avec succès sur des souris et The Economist précise que Synthorx a demandé l’autorisation de tester son nouveau produit sur les humains.

Pourquoi un alphabet si restreint ?

Mais l’intérêt de ces nouvelles versions de l’ADN n’est pas uniquement médical et technologique. Ce domaine est l’illustration d’un phénomène courant, mais qu’on a tendance à trop souvent oublier : l’interaction de la technologie et de la recherche fondamentale. En effet, ces prouesses technologiques nous permettent de mieux nous poser la question de l’origine de la vie.

Ainsi, est-ce une si bonne idée de multiplier les bases et les codons ? Pourquoi la vie s’est-elle contentée d’une structure aussi limitée ? Une question à laquelle Jordana Cepelewicz, dans le magazine Quanta a cherché à répondre.

En fait, ce système est remarquablement solide et résilient, et rien ne dit que des alphabets plus compliqués se révéleraient plus efficaces. En effet, on l’a dit, il y a 64 codons pour 20 acides aminés. Cela implique naturellement que plusieurs codons produisent le même acide. Mais la plupart du temps, les différents codons ne divergent que sur leur troisième position, par exemple, continue encore l’article de Quanta, l’acide glutamique, codé à la fois par GAG et GAA.

De plus lorsque deux codons partageant deux bases en commun produisent un résultat différent, les deux acides en question possèdent souvent les mêmes caractéristiques chimiques.

Cela rend un tel système bien plus résistant aux mutations.

Selon certains chercheurs, continue le magazine, un alphabet de 6 bases ou plus se révèlerait beaucoup moins stable : les mutations seraient trop nombreuses. C’est d’ailleurs le cas avec les créations de Romesberg. Elles se reproduisent moins bien et possèdent effectivement un plus fort taux de mutations.

Un chercheur en biologie computationnelle, Stephen Freeland, a essayé de comparer l’actuelle séquence de 20 acides aminés à la base des protéines avec une multitude d’autres combinaisons des mêmes types de molécules, choisies aléatoirement. Il s’avère qu’effectivement, notre alphabet de 20 lettres (généré par l’alphabet encore plus réduit de 4 lettres de l’ADN) s’avèrerait plus efficace qu’un million d’autres combinaisons testées.

Ceci dit, cela ne signifie pas que le code génétique soit parfait. En termes darwiniens, cela signifie juste qu’il s’est avéré « suffisamment bon » dans l’espace de solutions proposées par la Terre primitive pour s’imposer comme le langage de base de tous les êtres vivants. Une fois cette structure alphabétique de 4-20 lettres suffisamment répandue, cela aurait bloqué l’apparition d’autres combinaisons possibles.

De plus, il n’est pas toujours facile de dire avec certitude que notre code génétique est véritablement optimal. Après tout, souligne Romesberg on ne connaît pas vraiment les conditions de l’apparition de la vie sur Terre, et, poursuit-il, « quand vous ne comprenez pas un problème, il est toujours difficile de théoriser dessus ». Selon le biologiste synthétique Chang Liu, « il est concevable qu’à long terme, le fait de disposer d’acides aminés supplémentaires soit avantageux, ce qui permettrait à l’hôte de s’adapter de manière innovante… Mais ce serait là une toute nouvelle chimie difficile à prédire. »

En tout cas, une chose est sûre. Des expériences comme celles de Benner ou Romesberg, nous offrent la possibilité de réfléchir à la nature de la vie d’une manière moins spéculative qu’auparavant. Comment celle-ci est-elle apparue sur notre planète ? A quoi ressembleraient des extra-terrestres, s’il en existe ? Si l’évolution recommençait demain, à partir de la soupe primordiale, suivrait-elle le même chemin ? On peut aujourd’hui, pour la première fois, commencer à se demander comment la vie pourrait être plutôt que de seulement constater ce qu’elle est.