Comment savoir à quoi ressemblait la vie sur Terre il y a plus de trois milliards d'années, alors que les roches de cette époque sont si rares et difficilement exploitables ? Pour répondre à cette question, des chercheurs ont adopté une méthode originale en redonnant vie à une enzyme ancestrale. Cette approche ouvre une nouvelle fenêtre sur notre passé lointain et sur la recherche de vie au-delà de notre planète.
Une équipe de l'Université du Wisconsin-Madison a utilisé la biologie synthétique pour reconstruire une version probable d'une enzyme vieille de 3,2 milliards d'années. En partant d'enzymes modernes, ils ont remonté le temps moléculaire pour reconstruire un ADN ancien, l'insérer dans des microbes actuels, qui ont par la suite produit l'enzyme ancestrale.
Betül Kaçar, professeure de bactériologie, tient une boîte de Pétri contenant des microbes fixateurs d'azote. Elle est une pionnière en paléobiologie moléculaire.
Crédit: Jeff Miller/UW-Madison L'enzyme en question, la nitrogenase, joue un rôle fondamental pour la vie. Selon les scientifiques, sans elle, les formes de vie que nous connaissons n'existeraient probablement pas. Elle transforme l'azote de l'atmosphère en composés utilisables par les cellules, permettant la formation d'ADN et de protéines. Cette fonction était tout aussi vitale il y a des milliards d'années, quand la Terre était très différente, avec une atmosphère riche en dioxyde de carbone et en méthane.
Les enzymes ne se fossilisent pas, mais leur activité peut laisser des empreintes chimiques dans les roches anciennes. Pour la nitrogenase, le processus de fixation de l'azote génère des motifs isotopiques distinctifs. Les géologues utilisent ces signatures pour détecter des signes de vie passée. Cependant, une question persistait: ces signatures étaient-elles les mêmes il y a des milliards d'années qu'aujourd'hui ? L'étude récente apporte une réponse.
Les tests effectués sur l'enzyme ancienne reconstruite ont montré que sa signature isotopique reste identique à celle des versions modernes, malgré des changements dans sa séquence d'ADN. Cette stabilité inattendue signifie que les traces chimiques trouvées dans les roches terrestres sont fiables pour identifier l'activité de la nitrogenase dans le passé. Par conséquent, cela renforce la confiance dans l'interprétation des archives géologiques.
Ces travaux ont des résonances pour la recherche de vie extraterrestre. L'équipe fait partie du consortium MUSE, soutenu par la NASA, qui vise à améliorer les missions spatiales grâce à une meilleure compréhension de l'évolution microbienne. En confirmant que les isotopes liés à la nitrogenase sont une biosignature fiable sur Terre, ils offrent un cadre pour évaluer des signaux similaires sur d'autres planètes.
Les résultats, publiés dans
Nature Communications, ouvrent la voie à de nouvelles explorations, tant sur notre planète que dans le cosmos.
La biologie synthétique: une machine à remonter le temps moléculaire
La biologie synthétique est une discipline qui combine ingénierie et biologie pour concevoir ou modifier des systèmes biologiques. Dans cette étude, elle permet de reconstruire des enzymes anciennes en partant de versions modernes. Les chercheurs analysent les séquences d'ADN actuelles pour en déduire les formes probables du passé, comme on retracerait l'évolution d'une langue.
Cette reconstruction s'effectue en laboratoire grâce à des techniques de génie génétique. Les scientifiques synthétisent l'ADN correspondant à l'enzyme ancienne, puis l'introduisent dans des microbes vivants. Ces derniers produisent alors l'enzyme, ce qui permet d'étudier ses propriétés et son fonctionnement dans un environnement contrôlé.
Cette approche offre un avantage majeur: elle permet de tester directement des hypothèses sur le passé, sans se fier uniquement à des fossiles ou des roches fragmentaires. En observant comment ces enzymes interagissent avec leur environnement, on peut mieux comprendre les conditions de la Terre primitive et l'évolution des mécanismes biologiques.