Les protomembranes à l'origine de la vie

Protomembranes at the origin of life

• Auteur / Autrice : Loreto Misuraca
• Direction : Judith Peters, Philippe Oger, Bruno Demé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 22/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Max von Laue-Paul Langevin (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Johannes Geiselmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roland Winter, Giovanna Fragneto, Juliette Jouhet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Douliez, Daniela Uhrikova

Mots clés

Mots clés contrôlés

Origine de la vie

Propriétés physico-chimiques

Cellules indifférenciées

Mots clés libres

Membranes

Origine de la vie

Stability

Lipides

Acides gras

Origin of life

Membranes

Stability

Lipids

Fatty acids

Résumé

La vie est un état stable de la matière hors équilibre, dont l'origine a toujours intrigué l'humanité. Le fait qu’elle ait émergé au moins une fois dans l'Univers et que nous connaissions (et soyons) le résultat de cet événement, fournit des informations précieuses pour la recherche. Par exemple, à cause de son ubiquité dans tous les systèmes vivants connus, l'existence d'un compartiment (la membrane cellulaire) doit avoir été l'un des aspects essentiels à l'émergence de la vie.La plupart des scénarios communément acceptés pour l'apparition de la vie ont recours à des environnements extrêmes, avec des températures très élevées dépassant souvent 100 °C et, dans certains cas, une pression hydrostatique élevée qui peut atteindre plus de 1000 bar. En conséquence, il est essentiel de prendre en compte l'impact de ces conditions extrêmes sur les caractéristiques et la fonctionnalité des membranes des proto-cellules (protomembranes). Ce travail de thèse définit et étudie un modèle de protomembrane qui est constitué de molécules simples, disponibles prébiotiquement, et qui pourrait offrir une stratégie d’adaptation face aux conditions environnementales extrêmes de la Terre primitive. Ce modèle est un mélange d'acides gras et d'alcools gras à chaînes courtes qui contient un hydrocarbure linéaire apolaire en tant que composant membranaire additionnel. La contribution physico-chimique relative de chaque constituant a été étudiée expérimentalement. L'alcool gras induit un effet remarquable sur la structure et les propriétés de la protomembrane, surtout à haute température où il protège les vésicules de la dissolution et leur permet de se fondre pour donner des macrostructures plus grandes. Les molécules apolaires rentrent dans la région hydrocarbonée de la membrane, améliorent significativement sa stabilité à haute température et la rendent insensible à la pression élevée.Tous ces résultats font du modèle proposé un candidat de protomembrane très prometteur, qui offre un compartiment stable et une stratégie utile face aux conditions extrêmes imposées par l'environnement à l'origine de la vie.

Life is a stable state of matter away from equilibrium, the appearance of which has always puzzled mankind. It emerged at least once in the Universe, and the fact that we know (and are) the outcome of this successful event, provides us with valuable insights. For instance, for its ubiquity in the current living systems, the existence of a compartment (the cell membrane) must have been one of the crucial aspects also at the early stages of life.All commonly accepted scenarios for the onset of life formation include extreme environments, with very high temperatures of often > 100 °C and, in some cases, high hydrostatic pressure up to 1000 bar. Therefore, it is mandatory to study the impact of such conditions on the proto-cells membranes (protomembranes) characteristics and functionality.This thesis work defines and studies a model of protomembrane made by simple, prebiotically available molecules, which may have offered a defense strategy against the harsh environmental physical conditions of the early Earth. The model is a mixture of short-chain fatty acid and fatty alcohol that includes a linear hydrocarbon as additional, apolar membrane component. The physico-chemical contribution and effect of each and every constituent of this model was investigated. The alcohol addition has a major role on membrane structure and properties, especially at high temperature where it protects the vesicles from dissolving and allows them to fuse into larger macrostructures. Apolar molecules enter the membrane hydrocarbon region, improve significantly its stability at high temperature and make it physically insensitive to the high pressure.All these results make the proposed model a very promising protomembrane candidate, offering a stable compartment and a useful strategy against the environmental conditions imposed at the origin of life.