Energetic processes driving potential peptide protometabolisms at the origin of living systems

par Ghinwa Ajram

Thèse de doctorat en Ingénierie biomoléculaire

Sous la direction de Robert Pascal.

Soutenue le 29-11-2018

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Institut des Biomolécules Max Mousseron [Pôle Chimie Balard] / IBMM (laboratoire) .

Le président du jury était Michael Smietana.

Le jury était composé de Robert Pascal, Michael Smietana, Joseph Moran, Hervé Cottin, Pierre Strazewski, Jean-Christophe Rossi, Grégoire Danger.

Les rapporteurs étaient Joseph Moran, Hervé Cottin.

  • Titre traduit

    Processus énergétiques gouvernant des protométabolismes peptidiques à l’origine des systèmes vivants


  • Résumé

    La thèse aborde différentes questions de chimie prébiotique dans le contexte de l’origine de la vie par une approche de chimie systémique. La première partie est dédiée à l’étude de processus d’activation chimique important non seulement pour la formation de polymères, mais aussi pour alimenter le système en énergie de manière à le maintenir dans un état éloigné de l’équilibre, un prérequis pour l’auto-organisation. Il a été suggéré que les intermédiaires 5(4H)-oxazolones formés par l’activation de l’extrémité C-terminale des peptides pourrait être impliquée dans l’auto-organisation du vivant. Dans ce but, nous avons évalué la réactivité de réactifs pertinents dans un contexte prébiotique et décrits dans la littérature comme capables d’activer des acides α-aminés. Aucun d’entre eux n’a manifesté une activité satisfaisante pour l’activation C-terminale des peptides, montrant qu’une voie possible pour alimenter un protométabolisme des peptides en énergie n’est pas identifiée à ce jour à l’exception notable des N-carboxyanhydrides (NCA) qui peuvent être formé par des voies prébiotiquement plausibles. Nous avons par ailleurs démontré que les carbodiimides sont aussi efficaces pour l’activation des N-carbamoylamino acides que pour celle du carboxyle terminal des peptides en milieu aqueux dilué. La seconde partie du document expose de nouveaux résultats en faveur d’un processus de coévolution peptides-nucléotides. D’abord, une étude de la réactivité d’agents d’aminoacylation de l’extrémité 3’ de l’ARN est présentée. Ensuite, nous évaluons des co-polymères acides α-aminés-nucléotides liés par des enchaînements phosphoramidate et esters comme partenaires éventuels de l’évolution chimique. La pertinence cinétique de ces structures est démontrée ainsi que des voies chimiques permettant leur formation.


  • Résumé

    The thesis addresses several issues in prebiotic chemistry in the context of the origins of life through a systems chemistry approach. The first part is devoted to the study of chemical activation processes that are not only important in the formation of polymers, but also to feed the system with energy in order that a far from equilibrium state is maintained, a prerequisite for self-organization. It has been suggested that 5(4H)-oxazolones intermediates formed by C-terminus peptide activation could be involved in self-organization of life. To this aim, we have checked the reactivity of relevant prebiotic reagents previously proposed to activate α-amino acids. None of them led to a satisfactory C-terminus activation of peptides, showing that no general process for feeding a protometabolism of peptides with energy is identified yet, with the notable exception of N-carboxyanhydrides (NCAs) that can be formed through prebiotically relevant pathways. Additionally, we demonstrated that carbodiimides reagents are as efficient in the activation of N-carbamoyl amino acids as in that of the C-terminus of peptides in diluted aqueous media. The second part of the dissertation discloses new results in support of a process of coevolution of peptides and nucleotides. Firstly, a study of non-enzymatic aminoacylation reagents of the 3’-terminus of RNA is presented. Secondly, we assessed co-polymers of α-amino acids and nucleotides bound by phosphoramidate and ester linkages as potential players in chemical evolution. The kinetic relevance of these structures was demonstrated as well as potential chemical processes that allow their formation.


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