Révolution en exobiologie

Un ADN à l'arsenic : nouvelle forme de vie et révolution en exobiologie

Changement de paradigme en vue : des biologistes ont déniché une bactérie qui sait substituer l'arsenic au phosphore quand celui-ci vient à manquer et l'utiliser dans ses protéines et même son ADN. De quoi bouleverser les manuels de biologie mais aussi élargir le point de vue de l'exobiologie : la vie semble pouvoir s'adapter à des conditions bien plus variées qu'on ne le pensait. Ce n'est pas un hasard si c'est la Nasa qui a lancé la nouvelle...

Ce 2 décembre 2010, la Nasa avait bruyamment annoncé une nouvelle étonnante « sur la vie extraterrestre », diffusée sur Nasa Television. Mais, non, il ne s'agissait pas de la découverte de quelque E.T. Cette annonce n'était que celle d'une nouvelle bactérie, découverte dans les sédiments du Lac Mono, en Californie, hypersalin et hautement alcalin. Banal ? Non, révolutionnaire ! Cette bactérie, baptisée pour l'instant GFAJ-1, est capable d'une prouesse invraisemblable : remplacer le phosphore de son ADN par une substance d’ordinaire toxique, l’arsenic.
Remarquablement, trois des auteurs de l’article de Science avaient prédit il y a deux ans qu’un tel organisme pouvait exister. Voyons de plus près les arguments de Felisa Wolfe-Simon, une géomicrobiologiste, de Paul Davies, le directeur du fameux Beyond (Center for Fundamental Concepts in Science, Arizona) et de leur collègue Ariel Anbar.

Sur ce schéma montrant la composition chimique d'un brin d'ADN, on voit clairement les atomes de phosphore, P, dans les carrés orange. Ce sont ces atomes de phosphore qui sont remplacés par de l'arsenic par la bactérie du lac Mono © www.bioinformatique.eu

CHONPS : voilà les 6 premiers atomes entrant dans la composition des organismes vivants terrestres. Nous avons nommé le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, le phosphore et le soufre. On a toutes les raisons de penser que la vie a démarré dans l’océan, peut-être dans les cheminées des sources hydrothermales découvertes par Jean Francheteau. Le problème est que le phosphore est plutôt rare dans l’océan. L’apparition de molécules comme l’ADN ou l’ARN devient du coup plus difficile à comprendre. En revanche, l’arsenic est bien plus abondant, lui...
Or, si l’on regarde sa place dans le tableau de Mendeleïev, on remarque que l’atome d’arsenic se trouve dans la même colonne que le phosphore et même juste en dessous de lui. Cela signifie que ses propriétés chimiques sont très voisines de celles du phosphore. Bien qu’il soit à haute dose un violent poison pour les organismes vivants, il semblait donc concevable que les premières formes vivantes aient pu démarrer avec un ADN ou un ARN sans phosphate mais plutôt à l’arsenic.
Felisa Wolfe-Simon a entrepris de le prouver et elle a cherché des environnements où une bacterie était le plus susceptible d’utiliser de l’arsenic, d’une façon ou d’une autre.

Felisa Wolfe-Simon collectant des échantillons de bactéries dans les sédiments du lac Mono © Henry Bortman

Avec ses collègues, elle a collecté la bactérie GFAJ-1 dans les sédiments des berges du lac Mono. Ce micro-organisme fait partie des Halomonas, un genre connu d’extrêmophiles capables de se développer dans des milieux sursalés et dont certains supportent de fortes concentrations d’arsenic.
L’ADN de GFAJ-1 était parfaitement normal au début des expériences, il ne contenait donc pas d’arsenic. Felisa Wolfe-Simon a mis en culture les bactéries et cherché à voir comment elles allaient réagir si elles étaient brutalement privées de phosphore dans un milieu contenant en revanche de l’arsenic en abondance.
Premier résultat : GFAJ-1 se développe sans aucun problème. Mais pouvait-on en déduire que de l’arsenic avait été utilisé à la place du phosphore ? Après tout, l’organisme pouvait peut-être se révéler un as du recyclage de cet atome… Cela semblait tout de même difficile à croire car pendant plus d’une année, des générations de ces bactéries se sont succédé bien que privées de toute source de phosphore. Or, il faut bien fabriquer des protéines et des acides nucléiques (ADN et ARN) lorsqu'on se multiplie et toutes ces molécules contiennent du phosphore chez tous
les êtres vivants de la planète.

La bactérie GFAJ-1 cultivée avec du phosphore © Jodi Switzer Blum

Pour trancher définitivement la question, Wolfe-Simon et ses collègues ont utilisé des méthodes de spectrométrie de masse de pointe connues sous les noms de ICP-MS et NanoSIMS (Spectrométrie de Masse à Ionisation Secondaire). En comparant les cultures, il était clair que les bactéries issues de celles riches en arsenic mais dépourvues de phosphore contenaient bien elles-mêmes beaucoup d’arsenic mais très peu de phosphore.

La bactérie GFAJ-1 cultivée avec de l'arsenic mais pas de phosphore © Jodi Switzer Blum

Mieux, en utilisant des isotopes radioactifs de l’arsenic, les chercheurs ont montré qu’environ 10 % de l’arsenic absorbé par les bactéries se retrouve dans leurs acides nucléiques. La technique d’extraction et de purification de l’ADN avec du gel d’agarose, couplée avec la NanoSIMS, n’a ensuite guère laissé de doute sur la substitution des atomes de phosphore de l’ADN de GFAJ-1 par des atomes d’arsenic. Cela a d’ailleurs été confirmé par des études plus fines conduites à partir de la microspectroscopie EXAFS (Extended X-Ray Absorption Fine Structure).
Remarquablement, les bactéries remises en cultures dans un milieu riche en phosphore mais dépourvu d'arsenic se sont à nouveau développées sans aucun problème.
Comme le dit Michael New, un exobiologiste de la Nasa : « La découverte d'un organisme qui peut utiliser l'arsenic pour construire ses composants cellulaires peut indiquer que la vie peut se former en l'absence de grandes quantités de phosphore disponibles, augmentant ainsi la probabilité de trouver la vie ailleurs. Cette découverte élargit notre compréhension des conditions dans lesquelles la vie peut se développer et peut-être apparaître, ce qui accroît notre compréhension de la distribution de la vie sur Terre et les habitats potentiels pour la vie ailleurs dans le Système solaire ».

Il semble aussi qu'il va falloir repenser la gamme de tests possibles pour détecter des formes de vies ainsi que les lieux où la chercher, par exemple sur Mars, Europe ou sous forme de biosignatures dans l'atmosphère d'une exoTerre.
La conférence de la Nasa du 2 décembre 2010 avec Felisa Wolfe-Simon elle-même est disponible dans cette vidéo sur YouTube.

Futura-Sciences

La vidéo de la conférence de presse