Exploration du potentiel évolutif des mélanges d’ARN en présence d’ARN catalytique

Exploration of the evolutionary potential of random RNA mixtures in the presence of catalytic RNA

• Auteur / Autrice : Polina Pavlinova
• Direction : Philippe Nghe, Paul Rainey
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 14/11/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Chimie Biologie et Innovation
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de Biochimie (LBC)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)
• Jury : Président / Présidente : Samuela Pasquali
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Nghe, Hannes Mutschler, Kerstin GöPFRICH, Olivier Rivoire
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Samuela Pasquali, Hannes Mutschler

Mots clés

Mots clés libres

Évolution

Réseaux de réactions ARN

Mélanges d’ARN

Ribozyme

Encombrement moléculaire

Séquençage de nouvelle génération

Evolution

RNA reactions networks

Random RNA mixtures

Ribozyme

Molecular crowding

Next Generation Sequencing

Résumé

L’une des questions les plus fascinantes de la biologie moderne est celle de l’origine de la vie. La théorie de l’abiogenèse, qui décrit la transition de la matière inanimée à la matière vivante, suppose que l’apparition de la vie s’est faite en plusieurs étapes : tout d’abord, des blocs de construction de base comme les nucléotides et les acides aminés se sont formés, pouvant ensuite se combiner en oligomères. À l’étape suivante, des réseaux autocatalytiques collectifs capables de s’auto-reproduire sont apparus, suivis de l’évolution de ces réseaux et de la formation de protocellules. Néanmoins, il n’y a toujours pas de consensus sur chacune de ces étapes. Ce travail se concentre sur l’exploration des réseaux de réactions chimiques impliquant des polymères d’ARN en présence d’ARN catalytique. Nous avons sélectionné un intron du groupe I reconfiguré de la bactérie Azoarcus sp. comme système modèle, qui a montré qu’il pouvait s’auto-assembler à partir de fragments et former un ensemble autocatalytique collectif. Tout d’abord, nous examinons le potentiel des ribozymes auto-reproducteurs à fonctionner au sein de pools aléatoires d’ARN. Ensuite, nous caractérisons les réactions favorables dans ces mélanges d’ARN randomisés et explorons la diversité des séquences et des structures qui émergent au cours de ces réactions. De plus, nous démontrons que des environnements tels que le confinement moléculaire et la coacervation peuvent modifier de manière significative le repliement de l’ARN et, par conséquent, les profils de réaction au sein des mélanges d’ARN aléatoires. Dans le dernier chapitre, nous discutons des mécanismes d’hérédité dans les systèmes basés sur l’ARN et de la possibilité d’une transition entre eux. Pour mettre en œuvre les mécanismes d’hérédité dans les réseaux d’ARN catalytiques, nous construisons des systèmes hybrides qui combinent à la fois l’autocatalyse et la ligature basée sur un modèle. Globalement, les résultats obtenus montrent que les systèmes basés sur l’ARN ont un potentiel évolutif significatif. En outre, ils ne sont pas limités à des conditions idéales et peuvent coexister avec des molécules secondaires, conduisant à la formation de réseaux plus complexes.

One of the most interesting questions of modern biology is the question of the origin of life. The theory of abiogenesis (the transition from non-living to living matter) assumes that the emergence of life was multistage: first, building blocks (nucleotides, amino acids) were formed, which could combine into oligomers. At the next stage, collective autocatalytic networks capable of self-reproduction appeared, followed by the evolution of these networks and the formation of protocells. Nevertheless, there is still no consensus on any of these stages. This work focuses on the exploration of chemical reaction networks involving random RNA polymers in the presence of catalytic RNAs. We selected a re-engineered group I intron from the bacterium Azoarcus sp. as a model system, which has been shown to self-assemble from fragments and form a collective autocatalytic set. First, we examine the potential for self-reproducing ribozymes to function within random pools of RNA. Then, we characterise the reactions that are favourable in these randomised RNA mixtures and explore the diversity of sequences and structures that emerge during these reactions. Furthermore, we demonstrate that environments, such as molecular crowding and coacervation, can significantly change RNA folding and, consequently, the reaction profiles within random RNA mixtures. In the last chapter, we discuss mechanisms of heredity in RNA-based systems and the possibility of a transition between them. To implement heredity mechanisms in networks of catalytic RNAs, we build hybrid systems that combine both autocatalytic and template-based ligation. Overall, the obtained results demonstrate that RNA-based systems have significant evolutionary potential. Furthermore, they are not limited to ideal conditions and can coexist with side molecules, leading to the formation of more complex networks.