Synthèse de l'ARN dans des conditions prébiotiques : le défi de la formation des liaisons phosphoesters

RNA synthesis under prebiotic conditions : the challenge of phosphoester bond formation

• Auteur / Autrice : Matthias Bova Saint-André
• Direction : Guillaume Stirnemann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 18/01/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biochimie théorique (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Rodolphe Vuilleumier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rodolphe Vuilleumier, Elise Dumont, Anne Milet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Elise Dumont, Anne Milet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Origine de la vie

Phosphorylation

Méthodes ab initio (chimie quantique)

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

AiMD

Density Functional Tight Binding (DFTB)

Métadynamique

Umbrella Sampling

Phosphorylation

Origine de la vie

AiMD

Density Functional Tight Binding (DFTB)

Métadynamic

Umbrella Sampling

Phosphorylation

Origin of life

Résumé

La caractérisation de la formation de la liaison phosphodiester dans des conditions abiotiques est un enjeu majeur dans l’étude des origines de la vie. Cette liaison est présente dans de nombreux composés biologiques primordiaux pour le vivant [1], en particulier entant que liaison reliant les nucléotides de l’ARN et de l’ADN. Ainsi, en plus d’être apparue très tôt dans le processus évolutif, la liaison phosphodiester est au centre de l’hypothèse du monde à ARN [2], considéré comme l’un des scénarios les plus crédibles pour l’apparition de la vie sur Terre.Nous nous sommes intéressés à la réaction de phosphorylation entre un phosphate -mono ou dianionique et un méthanol. Malgré un nombre important d’études, les mécanismes de celle-ci n’ont toujours pas été clairement identifiés. Les barrières d’énergies étudiées sont élevées (entre 30-50kcal/mol) [3] et trop proches en énergie [4], rendant l’identification du chemin réactionnel difficilement accessible expérimentalement. Les études théoriques sont ainsi une approche complémentaire voire nécessaire pour une meilleure compréhension de la réaction et l’identification des étapes clefs à l’origine de ces hautes barrières, peu compatibles avec un scénario abiotique.Nous avons choisi d’utiliser la dynamique moléculaire ab initio [5]. Au contraire des calculs d’énergie au niveau quantique faits en phase gaz ou en solvant implicite, cette approche permet d’étudier les interactions avec le solvant, jusqu’ici négligées dans la littérature, et l’accès direct au paysage d’énergie libre (et non d’énergie), seul probant à température finie. L’inconvénient majeur reste un temps de calcul très conséquent; par conséquent, la description quantique est assurée par la Density Functional Tight Binding (DFTB) [6], une méthode semi-empirique qui rend les simulations plus accessibles en coût de calcul. Par ailleurs, l’étude des barrières d’énergie a nécessité l’emploi de méthodes d’échantillonnage avancé que sont la Métadynamique [7] et l’Umbrella Sampling [8]. Lors de cette thèse, nous avons étudié en détail et démontré l’importance des transferts de proton au cours de cette réaction. Même si les barrières expérimentales ne sont que qualitativement reproduites par notre approche, cette étude suggère que le mécanisme le plus favorable serait de type SN1 avec présence d’un intermédiaire métaphosphate.[1] Kitadai, N. Maruyama, S. Origins of building blocks of life: A Review. Geoscience Frontiers 9, 1117–1153. (2018). [2] Orgel, L. E. Prebiotic chemistry and the origin of the RNA World. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology 39, 99-123. (2004).[3] Hassan, H. A. et al. Effect of Protonation on the Mechanism of Phosphate Monoester Hydrolysis and Comparison with the Hydrolysis of Nucleoside Triphosphate in Biomolecular Motors. Biophysical Chemistry 230, 27 35. (2017).[4] Petrović, D., Szeler, K. & Kamerlin, S. C. L. Challenges and advances in the computational modeling of biological phosphate hydrolysis. Chemical Communications 54, 3077-3089.(2018).[5] Tuckerman, M. E. Ab initio molecular dynamics : basic concepts, current trends and novel applications. Journal of Physics : Condensed Matter 14, 1297-1355. (2002).[6] Gruden, M. et al. Benchmarking density functional tight binding models for barrier heights and reaction energetics of organic molecules. Journal of Computational Chemistry38, 2171-2185. (2017).[7] Barducci, A., Bonomi, M. S & S Parrinello, M. Metadynamics. Wiley Interdisciplinary Reviews : Computational Molecular Science 1, 826-843. (2011).[8] Torrie, G. M. & Valleau, J. Nonphysical sampling distributions in Monte Carlo free energy estimation : Umbrella Sampling. Journal of Computational Chemistry 23, 187.(1977).

Characterizing the formation of the phosphodiester bond under abiotic conditions represents a major challenge when it comes to study the origins of life. This bond exists in many biological compounds that are primordial to any living organism [1], and in particular the bond linking nucleotides in RNA and DNA. Then, in addition to having emerged very early in the evolutionary process, the phosphodiester bond appears to be central in the RNA world hypothesis [2], which is considered as one of the most credible scenarios regarding the appearance of life on Earth. In this thesis, we are interested in the phosphorylation reaction between a phosphate -mono or diprotonated- and a methanol. Despite a large number of studies, the mechanisms at stake in this reaction have not yet been clearly identified. The energy barriers studied are high (between 30-50kcal/mol) [3] and very close in energy [4], making the identification of the reaction path difficult to be achieved experimentally. Thus, theoretical studies form a complementary and relatively necessary tool for a better understanding of the reaction, as well as the identification of the key steps at the origin of these high barriers, hardly compatible with an abiotic scenario. We have chosen to use ab initio Molecular Dynamics [5]. In contrast to quantum level energy calculations done in gas phase or implicit solvent, this approach allows to study the interactions with the solvent, so far neglected in the literature, and open a direct access to the free energy landscape (and not energy), which is the only conclusive data at Rinite temperature. The major drawback of this approach remains a very high computational time ; consequently, the quantum description is provided by the Density Functional Tight Binding (DFTB) [6], a semi-empirical method which makes the simulations more realistic in terms of computational cost. Moreover, the analysis of energy barriers has required advanced sampling methods such as Metadynamics [7] and Umbrella Sampling [8]. During this thesis, we have studied in detail proton transfers during phosphorylation, and demonstrated the importance of this phenomenon. Even if the experimental barriers are only qualitatively reproduced by our approach, this study suggests that the most favorable mechanism would be of the SN1 type with the presence of a metaphosphate intermediate. [1] Kitadai, N. & Maruyama, S. Origins of building blocks of life: A Review. Geoscience Frontiers 9, 1117–1153. (2018). [2] Orgel, L. E. Prebiotic chemistry and the origin of the RNA World. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology 39, 99-123. (2004). [3] Hassan, H. A. et al. Effect of Protonation on the Mechanism of Phosphate Monoester Hydrolysis and Comparison with the Hydrolysis of Nucleoside Triphosphate in Biomolecular Motors. Biophysical Chemistry 230, 27–35. (2017). [4] Petrović, D., Szeler, K. & Kamerlin, S. C. L. Challenges and advances in the computational modeling of biological phosphate hydrolysis. Chemical Communications 54, 3077-3089. (2018). [5] Tuckerman, M. E. Ab initio molecular dynamics : basic concepts, current trends and novel applications. Journal of Physics : Condensed Matter 14, 1297-1355. (2002). [6] Gruden, M. et al. Benchmarking density functional tight binding models for barrier heights and reaction energetics of organic molecules. Journal of Computational Chemistry 38, 2171-2185. (2017). [7] Barducci, A., Bonomi, M. S & S Parrinello, M. Metadynamics. Wiley Interdisciplinary Reviews : Computational Molecular Science 1, 826-843. (2011). [8] Torrie, G. M. S & S Valleau, J. Nonphysical sampling distributions in Monte Carlo freeenergy estimation : Umbrella Sampling. Journal of Computational Chemistry 23, 187. (1977).