Pre-evolutionary dynamics in autocatalytic RNA networks

par Simon Arsene

Thèse de doctorat en Aspects moleculaires et cellulaires de la biologie. Biologie de systèmes

Sous la direction de Andrew Griffiths et de Philippe Nghe.

Le président du jury était Pascal Hersen.

Le jury était composé de Andrew Griffiths, Philippe Nghe, Andres Jäschke, Michaël Ryckelynck, Catherine Isel, Hervé Isambert.

Les rapporteurs étaient Andres Jäschke, Michaël Ryckelynck.

  • Titre traduit

    Dynamique pré-évolutive des réseaux ARN autocatalytiques


  • Résumé

    Les réseaux de molécules interdépendantes sont depuis quelque temps considérés comme de potentiels candidats pour avoir amorcé la transition de la biologie à la chimie. Bien qu'ils aient été intensivement examinés en théorie, il n'existe toujours aucune preuve expérimentale pour confirmer ou infirmer leur supposé rôle crucial dans les origines de la vie. En particulier, il nous manque encore une démonstration empirique des trois ingrédients habituellement présentés comme requis pour l'évolution darwinienne: l'hérédité, la variation et la sélection. Un système qui posséderait les trois tout en étant couplé à un processus de réplication en compartiments serait théoriquement capable d’évoluer au sens darwinien du terme. Par exemple, cela a été montré théoriquement pour les Ensembles Collectivement Autocatalytiques (CAS pour Collectively Aucatalytic Sets en anglais) où chaque molécule de l'ensemble est formée catalytiquement par un autre membre de l'ensemble. Ici, nous utilisons le système de ribozyme Azoarcus, qui catalysent des réactions de recombinaisons, pour former expérimentalement des CASs structurellement divers afin d’explorer leurs propriétés évolutives. Dans ce système, les ribozymes peuvent catalyser la formation d'autres ribozymes à partir de fragments plus petits, présents dans l'environnement. Nous utilisons un dispositif de microfluidique en gouttes associé au séquençage haut-débit pour mener une étude à grande échelle sur des milliers de CASs Azoarcus. Nous développons une approche perturbative pour identifier les paramètres topologiques importants contrôlant les variations observées dans les CAS à la suite de perturbations de l’environnement, ici l'ajout d'une nouvelle espèce. Nous déterminons ensuite l’ensemble restreint de caractéristiques du réseau régissant la mémoire des conditions initiales dans les CASs Azoarcus, un prérequis pour l'hérédité, en utilisant un modèle théorique validé par des données expérimentales. Enfin, nous démontrons qu’il existe dans les CASs Azoarcus des processus cataboliques qui les rendent robustes aux perturbations des fragments qui composent leur substrat et donc plus pertinent d’un point de vue prébiotique. Ces résultats démontrent le rôle crucial des CASs à base d’ARN dans les origines de la vie et illustrent comment la structure de leur réseau peut être adaptée pour obtenir des CASs avec des propriétés intéressantes d’un point de vue évolutif, ouvrant la voie à une démonstration expérimentale de l'évolution darwinienne avec système purement moléculaire.


  • Résumé

    Networks of interdependent molecules are considered plausible candidates for initiating the transition from biology to chemistry. Though they have been intensively scrutinized theoretically, there is still no experimental evidence for confirming or denying their supposed crucial role in the origins of life. In particular, we are still lacking experimental proofs of any of the three ingredients usually presented as required for Darwinian evolution: heredity, variation and selection. A system that would possess the three while being coupled to some sort of encapsulated replication process would theoretically be able to undergo Darwinian evolution. As a matter of fact, this has been shown theoretically for Collectively Autocatalytic Sets (CAS) where each molecule of the set is catalytically formed by another member of the ensemble. Here we use the Azoarcus recombination ribozyme system to experimentally form structurally diverse CASs to explore their evolutionary properties. In this system, the ribozymes can catalyze the assembly of other ribozymes from smaller fragments, present in the food set. We first use a droplet microfluidics set-up coupled with next-generation sequencing to conduct a large scale study on thousands of Azoarcus CASs. We develop a perturbative approach to identify the important topological parameters that control variations in CASs as a result of environmental perturbations, here the addition of a new species. We then determine the small set of network features governing memory of the initial conditions in Azoarcus CAS, a pre-requisite for heredity, by using a computational model validated by experimental data. Finally, we demonstrate that Azoarcus CAS possess catabolic processes which make them robust to perturbations in the food set and thus more prebiotic relevant. These results provide evidence for the crucial role of RNA CASs in the origins of life and illustrate how the network structure can be tailored to obtain CASs with properties interesting from an evolutionary point of view, paving the way to an experimental demonstration of Darwinian evolution with a purely molecular system.


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