Sur l'origine de l'homochiralité de la vie : exploration de scénarios interstellaires et planétaires pour la formation de sucres biologiques par l'analyse énantiosélective d'échantillons astrophysiques

On the origin of life's homochirality : exploring interstellar and planetary scenarios for the formation of biological sugars through the enantioselective analysis of astrophysical samples

• Auteur / Autrice : Vanessa Leyva Zegarra
• Direction : Cornelia Meinert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 18/10/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie (Nice)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Engrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cornelia Meinert, Cécile Engrand, Philippe Schmitt-Kopplin, Laurent Remusat, Karine Faure
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Schmitt-Kopplin, Laurent Remusat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chromatographie

Acides aminés

Sucre

Origine de la vie

Chiralité

Mots clés libres

Chiralité

Origine de la vie

D-sucres

Chromatographie

L-acides aminés

Chirality

Origin-of-life

D-sugars

Chromatography

L-amino acids

Résumé

Comment les organismes vivants ont-ils évolué à partir de la matière non vivante est sans doute l'une des questions non résolues les plus fascinantes et cruciales dans notre compréhension de ce qu'est la vie elle-même. Parce que la vie a évolué comme un phénomène asymétrique, toute théorie sur son émergence sur Terre doit expliquer l'origine de l’homochiralité — la présence prédominante de configurations chirales spécifiques dans les biopolymères, telles que les D-sucres dans les acides nucléiques et les L-aminoacides dans les protéines. Cependant, bien que plusieurs voies de synthèse d'un large éventail de biomolécules dans des conditions plausibles de la Terre primitive aient été proposées, aucune d'entre elles ne peut rendre compte de l'asymétrie caractéristique inhérente à tous les biopolymères. Dans ce contexte, les rapports systématiques d'un excès d'aminoacides L dans plusieurs météorites carbonées ont suscité l'hypothèse que la chimie interstellaire pourrait avoir joué un rôle dans l'origine des biomolécules homochirales. Comprendre la distribution et les caractéristiques des composés chiraux dans des échantillons astrophysiques authentiques et artificiels est donc crucial pour obtenir des informations sur l'histoire de notre système solaire et le rôle potentiel des processus interstellaires de brisure de symétrie, tels que la lumière polarisée circulairement (CPL) dans le façonnement des éléments constitutifs de la vie. Contrairement à la recherche extensive menée sur les acides aminés, la prévalence potentielle des D-sucres dans les échantillons extraterrestres n'a pas encore été établie. De plus, à ce jour, seul un rapport a confirmé la présence de ribose et d'autres aldoses dans les météorites, sans information sur leurs rapports énantiomériques. Ce manque remarquable de données pour les sucres dans les échantillons extraterrestres est largement attribuable à deux facteurs : (1) leur plus grande susceptibilité à l'oxydation et à la dégradation, rendant les conditions d'extraction standard appliquées pour les acides aminés et autres composés organiques impraticables pour les sucres ; et (2) leur capacité à générer de nombreux isomères en solution en raison de la cyclisation intramoléculaire, compromettant considérablement leur détectabilité et leur résolution, en augmentant la complexité chromatographique et en diminuant la sensibilité. Malgré des progrès significatifs dans le développement de protocoles analytiques pour l'énantioséparation des molécules chirales, les méthodes combinant une extraction efficace, une haute détectabilité, une résolution et une détermination fiable des petits excès énantiomériques (ees) à des concentrations de trace font encore défaut. Par conséquent, l'objectif global de cette thèse de doctorat était le développement et la mise en œuvre d'une nouvelle méthodologie intégrative pour l'extraction simultanée et l'analyse énantiosélective fiable de sucres chiraux et d'acides aminés dans des échantillons astrophysiques. Des tests approfondis ont été menés pour évaluer les récupérations et étudier l'éventuelle occurrence de processus de dégradation et de racémisation à toutes les étapes du protocole d'extraction-chromatographie. Une attention particulière a été accordée à l'évaluation et à la réduction de l'impact des matrices minérales ainsi qu'à la surveillance et à la minimisation des sources de contamination. Un large éventail d'échantillons astrophysiques, comprenant des météorites, des analogues de glace interstellaire et des échantillons simulant des environnements aqueux sur la Terre primitive, ont été analysés au cours de ce travail. Nous nous attendons à ce que nos résultats améliorent notre compréhension de la formation et de l'évolution cosmique et terrestre des sucres biologiques ainsi qu'à approfondir notre connaissance du rôle potentiel des processus photosynthétiques asymétriques dans l'origine de l'homochiralité biologique.

How did living organisms evolved from non-living matter is arguably one of the most fascinating unresolved questions and a crucial one in our understanding of what life itself is. Because life evolved as an asymmetric phenomenon, any comprehensive theory of its emergence on Earth must explain the origin of biological homochirality —the predominant presence of specific chiral configurations in biopolymers, such as D-sugars in nucleic acids (DNA and RNA) and L-amino acids in proteins. However, while several pathways for the synthesis of a broad range of biomolecules under plausible early Earth conditions have been proposed, none of them can account for the characteristic asymmetry inherent to all biopolymers. In this context, the systematic reports of an excess of L-amino acids in several carbonaceous meteorites prompted the hypothesis that interstellar chemistry may have played a role in the origin of homochiral biomolecules by biasing the presumably racemic abiotic pool on early Earth through the delivery of extraterrestrial debris containing enantioenriched molecules. Understanding the distribution and characteristics of chiral compounds in authentic and artificial astrophysical samples is, thus, crucial for gaining insights into the history of our Solar System and the potential role of interstellar symmetry-breaking processes, such as circularly polarized light (CPL)—the most promising source to trigger molecular asymmetry under astrophysical conditions—, in shaping the building blocks of life.In contrast with the extensive research conducted on amino acids, the potential prevalence of D-sugars in extraterrestrial samples, which might also have originated from interstellar sources, has not yet been established. Furthermore, to date, only one report has confirmed the presence of ribose and other aldoses in meteorites, with no information on their enantiomeric ratios. This remarkable lack of data for sugars on extraterrestrial samples is largely attributable to two factors: (1) their higher susceptibility to oxidation and degradation, making standard extraction conditions applied for amino acids and other organics, impractical for sugars; and (2) their capability to generate numerous isomers in solution due to intramolecular cyclization, which considerably compromise their detectability and resolution, by increasing chromatographic complexity and decreasing sensitivity.Despite significant progress in the development of analytical protocols for the enantioseparation of chiral molecules, methods that combine efficient extraction, high detectability, resolution, and reliable determination of small enantiomeric excesses (ees) at trace concentrations are still lacking. Therefore, the overall aim of this PhD thesis was the development and implementation of a new integrative methodology for the simultaneous extraction and reliable enantioselective analysis of chiral sugars and amino acids in astrophysical samples. Thorough tests were conducted to assess the recoveries and investigate the potential occurrence of degradation and racemization processes at all stages of the extraction-chromatographic protocol. Particular attention was devoted to evaluating and reducing the impact of mineral matrices as well as to monitoring and minimizing contamination sources. A broad range of astrophysical samples, including meteorites, interstellar ice analogs, and samples simulating aqueous environments on early Earth, were analyzed in the course of this work. We expect our findings to enhance our understanding of the cosmic and terrestrial formation and evolution of biological sugars as well as to deepen our knowledge of the potential role of asymmetric photosynthetic processes in the origin of biological homochirality.