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

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 au fer) ou sous l'effet de l'explosion 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. 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 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 Autonome de Madrid, montre par des travaux couplant expérience et théorie 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 du milieu interstellaire, des nuages protostellaires ou de l'environnement 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 de glaces contenant du carbone (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 et le groupe acide 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 (ou particules α), à des énergies d'impact typiques du vent solaire, avec des groupes de molécules d'alanine β (β-ala, NH₂CH₂CH₂COOH) faiblement liées. Les produits cationiques sont analysés par spectrométrie de masse à temps de vol, et l'on observe divers produits fractionnaires entre les polypeptides (β-ala)_n, et parmi ceux-ci des peptides clairement identifiables.


Il est ainsi montré que les liaisons peptidiques sont efficacement formées par l'émission de molécules d'eau, 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, où une exploration exhaustive des surfaces potentielles énergétiques a été menée.

Cette formation de polypeptides par collision avec les ions He²⁺ est obtenue par ionisation des molécules par transfert de charge depuis l'ion et excitation électronique par transfert d'énergie cinétique 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 électronique lointaine et du caractère léger de l'ion.


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 (Fragmentation DYNAmics of complex MOlecular systems).

Références:

*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: formation de molécules sur Europa par implantation 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, 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.