Le formamide est-il un précurseur prébiotique plausible ?

La nature des produits chimiques qui ont joué le rôle de précurseurs prébiotiques sur la Terre primitive est encore un argument débattu. Dans une approche générale du problème, il convient de prendre en compte les propriétés physiques et chimiques suivantes des composés organiques simples considérés. A savoir : (i) l’abondance relative des matériaux biogènes de départ, à considérer comme une condition préalable à l’apparition précoce de processus génétiques sur cette planète ; (ii) leur stabilité ; (iii) leur capacité à réagir pour donner des structures plus complexes suivant des voies reproductibles. La formation de précurseurs basés sur des processus chimiques simples, et la présence quasi-simultanée de tous les blocs de construction à utiliser pour l’assemblage de molécules informationnelles, sont d’autres exigences importantes.

(i) Disponibilité

Le formamide (H2NCOH) répond aux critères requis d’abondance et de diffusion dans l’Univers. L’analyse de la composition moléculaire des comètes-astéroïdes et des nuages interstellaires montre que les composés constitués des 4 éléments les plus courants et les plus pertinents sur le plan biologique H, O, C et N (à l’exclusion de He) sont l’isocyanate HNCO et le formamide H2NCOH . Le formamide a été détecté dans la phase gazeuse du milieu interstellaire, dans la comète à longue période Hale-Bopp, et provisoirement dans la phase solide des grains autour du jeune objet stellaire W33A. Une possible production de formamide dans des conditions semblables à celles d’Europe a été observée (Hand, K. ; Carlson, R. W., Département des sciences géologiques & environnementales, Université de Stanford ; communication personnelle, juillet 2006).

(ii) Stabilité

Le formamide répond aux critères de stabilité requis. Ce sujet doit être considéré en relation avec la chimie du cyanure d’hydrogène (HCN). Depuis l’expérience pivot d’Orò sur la synthèse de l’adénine à partir du HCN, de nombreuses études ont été consacrées à l’évaluation du rôle de ce composé dans l’origine des acides nucléiques primordiaux . Néanmoins, deux problèmes restent non résolus en ce qui concerne la pertinence prébiotique de la chimie du HCN : (i) l’instabilité thermodynamique du HCN dans des conditions hydrolytiques, (ii) le panel restreint de nucléobases, limité aux seules purines qui peuvent être formées par son processus de condensation. Dans la perspective de cette dernière observation, un précurseur tout-purine des acides nucléiques a été proposé, dans lequel les pyrimidines présentes dans les acides nucléiques existants seraient des substituts post-enzymatiques de leurs purines iso-électroniques et iso-géométriques. Le HCN est un gaz dans une large gamme de conditions environnementales. Ainsi, la chimie du HCN en solution homogène (le scénario chimique prébiotique largement accepté sur la Terre primitive) nécessite d’abord une absorption dans l’eau. Après le processus d’adsorption, la polymérisation et l’hydrolyse du HCN entrent en compétition, les résultats étant déterminés par sa concentration. Les deux réactions sont équivalentes à des concentrations de HCN comprises entre 0,01 et 0,1 M (entre pH 8 et 9). L’hydrolyse en formamide (Figure 1, équation A) prédomine dans les solutions diluées tandis que la polymérisation prend le dessus à des concentrations plus élevées . La concentration de HCN à l’état d’équilibre dans l’océan primitif a été calculée, sur la base des taux estimés de sa production et de son hydrolyse, comme étant à pH7 4 × 10-12 M à 100°C et 2 × 10-5 M à O°C. Ces concentrations sont beaucoup trop faibles pour que la polymérisation en nucléobases puisse se produire, favorisant ainsi l’hydrolyse en formamide .

Comme le HCN est plus volatil que l’eau, il ne peut être concentré par simple évaporation à un pH inférieur à son pKa (9,2 à 25°C). Cela a suggéré la congélation eutectique comme moyen pour HCN d’atteindre la concentration suffisante pour la polymérisation .

Dans la même étude, le taux d’hydrolyse (et la concentration à l’état d’équilibre) du formamide en formiate d’ammonium (figure 1, équation B) a également été estimé à 2 × 10-18, 1 × 10-15 et 1 × 10-9 M, à 200, 100 et 0°C respectivement, en supposant que dans l’océan primitif le formamide était formé uniquement par hydrolyse de HCN.

Sur la base de ces données, les auteurs suggèrent qu' »il est peu probable que le formamide ait pu jouer un rôle important dans la chimie prébiotique », une phrase tout à fait définitive pour ce composé !

Cependant, cette hypothèse ne tient pas compte du fait que (i) le formamide peut être formé à partir de composés prébiotiques largement diffusés sur la Terre primitive autres que HCN, et (ii) que le formamide est liquide dans une large gamme de valeurs de température et de pression, avec un point d’ébullition de 210°C et des effets azéotropiques très limités . Ainsi, contrairement au HCN, le formamide dans un modèle de lagune de séchage peut être facilement concentré, ce qui augmente sa stabilité lors de la concentration et fournit la concentration adéquate pour que la polymérisation en nucléobases ait lieu. L’hydrolyse du formamide dans l’eau a été revisitée en étudiant l’effet isotopique cinétique du deutérium du solvant. Cette analyse a fourni une valeur de la constante khyd de 1,1 × 10-10 s-1, correspondant à un t1/2 d’environ 200 ans à 25°C et pH 7,0 .

(iii) Réactivité

En tant que composé organique capable de générer « in situ » de nombreux autres produits chimiques simples utiles pour la synthèse des nucléobases, le formamide peut être considéré comme un précurseur prébiotique multifonctionnel. Le rapport entre les précurseurs obtenus dépend des conditions environnementales spécifiques.

À 190-210°C sous pression atmosphérique, le formamide se décompose thermiquement soit en ammoniac (NH3) et en monoxyde de carbone (CO) (figure 1, équation C), soit en HCN et en eau (figure 1, équation D). La formation de HCN est généralement favorisée en présence de catalyseurs appropriés, c’est-à-dire qu’avec des oxydes d’aluminium, le rendement à des températures comprises entre 400°C et 600°C est de >90%, tandis qu’en l’absence de catalyseurs, la réaction formant NH3 et CO prédomine. D’autres produits de décomposition sont également détectés. Ceux-ci incluent des dérivés polymères de cyanure d’hydrogène produisant potentiellement des nucléobases dans des conditions hydrolytiques. En raison de sa constante diélectrique élevée, le formamide est en outre un excellent solvant pour les oxydes métalliques et les sels inorganiques, qui peuvent agir comme catalyseurs pendant les processus de condensation en nucléobases.

Ainsi, la composition d’un mélange réactionnel basé sur le formamide comme composant principal est accordée par la composition du réacteur environnemental fournissant, à la différence du HCN, tous les précurseurs prébiotiques nécessaires à la synthèse des nucléobases puriques et pyrimidiques. La composition du panel des produits dominants dépend des propriétés physiques et chimiques spécifiques des catalyseurs présents dans le milieu réactionnel, comme détaillé ci-dessous.

Synthèse de précurseurs nucléiques à partir de formamide

Bases nucléiques, d’un acide aminé et d’un agent de condensation

Bases nucléiques

Nous avons observé que le formamide a la propriété unique de se condenser en nucléobases puriques et pyrimidiques simplement par chauffage à 110-160°C en présence d’oxydes métalliques et de minéraux largement diffusés . Les produits obtenus sont répertoriés dans le tableau 1, croisés avec les catalyseurs testés et regroupés en fonction de leur complexité croissante (approximative). La purine est le seul composé obtenu par chauffage du formamide en l’absence de catalyseurs. Les aspects les plus pertinents de ce grand ensemble de produits sont :

– le panel de composés obtenus en présence de chaque catalyseur est  » propre « . Seuls quelques produits sont observés, dans certains cas la synthèse étant très spécifique, comme dans le cas du minéral phosphate pyromorphite donnant exclusivement de la cytosine ou dans le cas de la childrenite donnant presque uniquement de la N-formylglycine. Dans d’autres cas, on obtient des panels plus riches de produits, comme avec le pyrophosphate Na4P2O7 qui donne (en plus de la purine) de l’adénine, de l’hypoxantine (un bioisostère de la guanine), de l’uracile, de la cytosine, de la N-formylglycine et du carbodiimide ; et avec TiO2 donnant (en plus de la purine) l’adénine, la N9-formylpurine, la N9-N6-diformyladénine, la cytosine, la thymine et le 5-hydroxyméthyluracile.

– De manière assez intéressante, le TiO2 catalyse également la synthèse d’acyclonucléosides puriques (non rapportés dans le tableau 1, voir Ref 23). Cette observation est d’une pertinence prébiotique particulière en raison de la difficulté connue de construire dans des conditions prébiotiques la liaison β-glycosidique entre les nucléobases et les sucres synthétisés séparément . Quoi qu’il en soit, même dans le cas de mélanges relativement plus complexes, les profils de produits conservent leur caractère de netteté et ne contiennent généralement pas de produits de dégradation ni de classes supplémentaires de composés.

Glycine et carbodiimide

Le dérivé d’acide α-aminé N-formylglycine a été détecté dans des synthèses à base de formamide catalysées par des minéraux phosphatés, souvent accompagnées de carbodiimide . La synthèse du carbodiimide, qui est un agent important pour la condensation des acides aminés en peptides, pourrait être responsable de la formation de la formylglycine à partir de la glycine générée in situ , ce qui suggère un rôle pour le système formamide-phosphate dans la synthèse prébiotique des peptides.

Des intermédiaires des voies de synthèse des composants des acides nucléiques existants sont également observés, à savoir , 4-aminoimidazole-5-carboxamide (AICA), 4-formylaminoimidazole-5-carboxamide (f-AICA) et 5-hydroxyméthyluracile.

Les mécanismes chimiques sur lesquels reposent toutes ces synthèses sont décrits et discutés de manière critique dans .

Le concept de chimiomimèse comme sélecteur de précurseurs prébiotiques

Comme mentionné ci-dessus, l’identité des premiers précurseurs prébiotiques des acides nucléiques est encore un argument de débat. D’autre part, l’analyse du mécanisme de réaction de molécules organiques simples révèle des cas dans lesquels des intermédiaires clés sont également produits, correspondant à ceux observés dans les voies biologiques existantes. Le concept de chimiomimèse s’applique à ces correspondances. Ce terme, introduit pour la première fois par Eschenmoser et Loewenthal en 1992, se réfère généralement à une voie de réaction chimique qui peut être utilisée comme modèle pour les processus enzymatiques qui apparaîtront plus tard dans l’évolution et qui donneront les mêmes produits finaux. Cette propriété permet en principe de distinguer deux classes de précurseurs prébiotiques : les précurseurs capables de générer un processus chimiomimétique et ceux qui ne le sont pas. La chimie du formamide présente des cas intéressants de chimiomimèse.

A titre d’exemple, le 5-aminoimidazole-4-carboxamide (AICA) et le 5-formamido-imidazole-4-carboxamide (f-AICA), obtenus à haut rendement en plus de l’hypoxanthine lors du chauffage du formamide en présence de montmorillonites (tableau 1), sont également des intermédiaires clés (en tant que ribonucléotide-5′-monophosphates) dans les dernières étapes de la biosynthèse existante de l’inosine-5′-monophosphate (IMP), la principale voie d’accès aux nucléotides puriques dans la cellule (Figure 2).

De même, l’addition de formaldéhyde à un échafaudage d’uracile préformé pendant la synthèse de la thymine à partir de formamide et de TiO2 est une étape clé pour l’introduction de la partie méthyle, en accord avec la biosynthèse existante de la thymidine. Dans cette réaction, une unité formaldéhyde est ajoutée à l’uridine, masquée comme l’unité méthylène activée du tétrahydrofolate de méthylène (MTHF) pour donner le 5-hydroxyméthyluracile-5′-monophosphate (HMU-5′-monophosphate). La thymidine sera obtenue par réarrangement successif par déplacement d’hydrure.

La possibilité que des événements chimiques précoces aient joué le rôle de modèles pour le développement de voies enzymatiques plus complexes (mais aussi plus efficaces et sélectives) est un concept fascinant à évaluer plus avant dans l’étude de l’évolution moléculaire des polymères informationnels.

Problèmes de polymérisation prébiotique

Précurseurs activés

L’évolution de l’information génétique basée sur des polymères linéaires implique un mécanisme de réplication médiée par des modèles. La reproduction par gabarit permet de maintenir et de modifier occasionnellement l’information accumulée, établissant ainsi des règles d’évolution à base chimique. Des systèmes auto-réplicatifs non enzymatiques basés sur la synthèse d’oligonucléotides dirigée par un modèle ont été rapportés (parmi lesquels ceux rapportés en , revus en ), fournissant la preuve de principe de la plausibilité de ce mécanisme général. Les premiers polymères pré-génétiques n’étaient pas nécessairement constitués des fragments de sucre qui composent les acides nucléiques actuels, et les nucléosides n’étaient pas non plus reliés de force par les liaisons phosphoester que nous connaissons aujourd’hui. Des analyses complètes des alternatives possibles ont été rapportées. Cependant, en l’absence de preuves directes ou d’indications solides du contraire, on peut supposer sans risque que l’évolution génétique a pris naissance sur la base de polymères semblables à l’ARN, que les liaisons ribose et phosphodiester étaient les composants réels dont les propriétés ont permis et lancé l’évolution, que les chevaux moléculaires n’ont pas été modifiés au cours de l’évolution. Les raisons qui favorisent le phosphate comme élément de connexion sont bien établies.

Un problème général découle du fait que la formation d’une liaison phosphodiester est thermodynamiquement ascendante. Ainsi, la synthèse prébiotique sans protéine dirigée par un modèle d’oligonucléotides liés par une liaison phosphodiester a très probablement nécessité l’utilisation de nucléotides chimiquement activés.

Phosphorylation des nucléosides catalysée par le formamide

La pertinence prébiotique des mécanismes proposés pour la production de nucléosides activés est discutable . L’observation autrement importante que le séchage du nucléoside chimiquement activé 5′-phosphorimidazolide-adénosine (ImpA) sur la surface d’une argile de Montmorillonite un décanucléotide pré-absorbé pourrait être allongé par jusqu’à 30 nucléotides supplémentaires et des résultats similaires dans des systèmes comparables dans , souffrent de la même limitation. Ainsi, un mécanisme catalytique efficace et robuste pour l’activation (éventuellement la phosphorylation) des nucléosides était probablement impliqué. Nous avons observé que la phosphorylation des nucléosides se produit facilement en présence de formamide et d’un donneur de phosphate. Le donneur pouvait être un mono-, di- ou triphosphate soluble ; ou un nucléoside phosphorylé différent ; ou l’un des nombreux minéraux phosphatés cristallins parmi lesquels l’hydroxylapatite, la libethenite et la pseudomalachite (données non détaillées, soumises pour publication ailleurs). La phosphorylation s’est produite sur les atomes de carbone 5′, ou 3′, ou 2′ de la fraction ribose, et 2′ :Des formes phosphoester cyclique 3′ et 3′:5′ ont également été observées. Sur la base de l’observation révolutionnaire d’Orgel que les dinucléosides diphosphates se sont formés à partir du phosphate cyclique 2′:3′ de l’adénosine, ce système de ribonucléotides à phosphate cyclique pourrait avoir une pertinence prébiotique particulière.

Aqueux versus non aqueux

La formation chimiquement relativement facile de polymères linéaires à partir de précurseurs activés ne résout pas le problème de leur origine. Le problème du changement d’énergie libre de Gibbs à l’état standard (ΔG°’), tel qu’évalué de manière critique par van Holde , et l’instabilité intrinsèque des polymères en solution limitent la formation et la survie des polymères en milieu aqueux. Le problème du ΔG°’ est l’obstacle majeur pour les polymérisations en phase liquide dans des conditions prébiotiques.

La phosphorylation de nucléosides sur des surfaces minérales mentionnée ci-dessus a été obtenue en présence de formamide. Ainsi, les monomères nucléiques activés peuvent se former dans un environnement liquide non aqueux dans des conditions compatibles avec la thermodynamique de la polymérisation, fournissant une solution opérationnelle. Si le formamide fournissait des précurseurs activés par phosphorylation de nucléosides et permettait leur polymérisation par une simple réaction de trans-phosphorylation (un processus encore hypothétique mais chimiquement plausible), le facteur limitant pour l’évolution des molécules pré-génétiques deviendrait la stabilité des formes polymérisées résultantes. En d’autres termes, si l’on considère les conditions dans lesquelles les polymères pré-génétiques pourraient spontanément se polymériser, se répliquer et évoluer, les paramètres physico-chimiques favorisant ou permettant la survie de l’état très polymérique sont d’une importance capitale. D’où l’intérêt de définir les niches thermodynamiques initiales dans lesquelles l’état polymérique aurait pu être favorisé par rapport à l’état monomérique.

Ces niches ont été identifiées pour les systèmes désoxyribo et ribo, montrant que des combinaisons définies de température et de solvant favorisent l’état polymérique. Ces niches sont remarquablement plus larges pour l’ARN que pour l’ADN (cfr données en versus ).

Dans le cadre de l’hypothèse du « monde de l’ARN », cette découverte montre qu’en plus des trois propriétés importantes de l’ARN, la propriété de persistance favorisée doit également être considérée. Cette quatrième propriété consiste en un ensemble de paramètres thermodynamiques et cinétiques relatifs au processus de polymérisation et à la stabilité des polymères. Les conditions favorisant la persistance oligomérique pourraient potentiellement fournir des informations sur l’environnement dans lequel les molécules ur-génétiques sont apparues et ont survécu.

La stabilité comme phénotype critique pour l’évolution des polymères informationnels

En reconstituant le passage des monomères aux polymères porteurs d’information que nous connaissons actuellement, et en résumant les données rapportées ci-dessus, nous avons observé que le formamide 1) se condense en toutes les bases nucléiques nécessaires à la formation des acides nucléiques actuels. Ce processus ne nécessite qu’une température modérée (110-160°C) et des catalyseurs facilement disponibles. 2) Plusieurs composés sont formés, renfermant une liaison β-glycosidique cachée, résolvant potentiellement le rébus chimique posé par la non-réactivité des bases nucléiques avec les sucres. 3) La phosphorylation des nucléosides préformés à base de formamide a été observée (données soumises ailleurs), fournissant une solution plausible au problème du mécanisme chimiquement robuste nécessaire pour une production non fastidieuse et à haut rendement de précurseurs activés. La formation de polymères pourrait être envisagée par le biais d’un processus de trans-phosphorylation dirigé par le formamide. Le modèle approprié pourrait être fourni par une surface minérale ou par des polymères nucléiques. Ces processus fournissent un cadre de chimie simple dans lequel toutes les étapes allant du composé à un atome de carbone H2NCOH aux nucléotides activés ont été décrites. Toutes ces réactions nécessitent du formamide comme matériau de construction et/ou comme catalyseur.

Cependant, les organismes existants vivent dans l’eau, pas dans le formamide. Et la structure et les propriétés des acides nucléiques laissent fortement entendre que l’interaction avec l’eau est l’une de leurs propriétés les plus intimes. A quel stade le passage d’un environnement formamide à l’eau a-t-il pu se produire ?

A ce stade, nous sommes sur des bases hypothétiques. Partons d’un modèle dans lequel la synthèse d’un ribo-oligonucléotide a eu lieu en connectant des nucléosides pré-synthétisés ], phosphorylés par une phosphorylation catalysée par le formamide et joints par une trans-phosphorylation catalysée par le formamide (hypothétique). Les ponts phosphodiester entre les nucléosides ont pu se produire entre des monomères liés en tant qu’unités uniques sur des surfaces minérales phosphatées, fournissant à la fois une source de fragments de phosphate et un ordre spatial correct. La distance P-P dans un acide nucléique étiré est une valeur bien établie de 9,15 Å, en bonne correspondance avec les dimensions des cellules cristallines des minéraux phosphatés dont les valeurs a et b dans un grand nombre de minéraux différents sont comprises entre 6 et 10 Å (stade de première génération). Alternativement, ou à un stade ultérieur, des ponts phosphodiester se seraient formés entre les monomères activés liés en tant qu’unités uniques sur la matrice d’acide nucléique (stade de la deuxième génération). Les deux étapes nécessitent le formamide comme produit chimique moteur pour la formation des ponts phosphate.