Projet ANR-12-IS07-0006 – CHIRGEN : Chiralité et Genes
Programme : Blanc International II - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc Inter II - SIMI 7)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Uwe Meierhenrich (Institut de Chimie de Nice)
Partenaires : Unité de Recherche Soleil; Institut de Chimie de Nice; Unité de Recherche Soleil
Montant : 245200.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Chiralité et GènesLe projet bilatéral CHIRGEN propose de découvrir l’origine de l'asymétrie du code génétique comme un moyen de franchir une étape cruciale vers la compréhension de l’origine de la vie en utilisant à la fois un scenario astrophysique proposant une photochimie asymétrique à partir de lumière cpl (France) puis d’une amplification autocatalytique (Mexique).
Photolyse énantiosélective de glyceraldehydeLa photochimie asymétrique de molécules précurseurs de nucléotides au synchrotron SOLEIL est dépendante de l’activité chiroptique de ces molécules et produira très certainement seulement de petits e.e’s ainsi que nous l’avons démontré dans le cas d’acides aminés. Ainsi donc, toute asymétrie présente dans ces échantillons obtenus par photochimie nécessitera un fort e.e. afin de pouvoir modéliser l’évolution ultérieure vers des nucléotides pré-génétiques et finalement le monde ARN.
La chromatographie énantiosélective multidimensionnelleDes échantillons de matière organique provenant de la photochimie d’analogues de glaces interstellaires seront produits à l’IAS et au synchrotron SOLEIL puis transportés à l’UNS, extraits et dérivatisés, et les précurseurs supposés du monde ARN, tel que l’aldéhyde glycérique seront résolus dans leurs deux énantiomères, en utilisant une technique nouvelle et ultramoderne  d’analyse multidimensionnelle par un appareil de chromatographie en phase gaz, couplée à de la spectrométrie de masse (GCxGC – TOF- MS)
Résumé de la soumission : L’acide désoxyribonucléique (ADN) est à la base du code génétique pour tous les organismes vivants connus. L’ADN est composé d’oligonucléotides qui sont liés chimiquement entre eux par l’intermédiaire de ponts phosphates, le système d’appariement de bases de Watson-Crick et des interactions pi-pi pour former une double hélice droite (Hélice-P) dans la plupart des organismes biologiques. La chiralité de cette double hélice est entièrement contrôlée par la molécule de sucre présente dans la structure du nucléotide : le désoxyribofumarose est trouvé dans l’unique configuration D dans la matière biologique. Il est généralement supposé que l’ADN n’était en fait pas le matériel génétique originel et que la composition de notre matériel génomique dans l’ADN actuel provient en fait d’un ARN primordial, dans l’hypothèse du monde ARN (avec des sous unités de D-ribosefumarose imposant la stéréochimie de l’ensemble). Cependant, l’origine ultime de l’asymétrie du sucre du ribose, si importante pour la structure de l’ARN reste incomprise.Plusieurs hypothèses pour l’origine de cette asymétrie ont été envisagées. Parmi elles, la photochimie asymétrique utilisant de la lumière polarisée circulairement (cpl) peut induire des excès énantiomériques (e.e.s) dans des molécules organiques chirales. Ce modèle a été récemment renforcé à la fois par l’observation de lumière cpl dans la région de formation d’étoiles dans la nébuleuse d’Orion et par la détection de molécules organiques enrichies dans un énantiomère donné dans les météorites. En 2009, Sutherland et al. ont proposé que les précurseurs du code génétique doivent être recherchés en considérant la chimie de l’aldéhyde glycérique et ses dérivés qui auraient pu constituer les briques initiales pour la formation d’oligonucleotides énantiomériquement enrichis.Le projet bilatéral CHIRGEN propose de découvrir l’origine de cette asymétrie du code génétique comme un moyen de cfranchir une étape cruciale vers la compréhension de l’origine de la vie en utilisant à la fois un scenario astrophysique proposant une photochimie asymétrique à partir de lumière cpl (France) puis d’une amplification autocatalytique (Mexique). Des échantillons de matière organique provenant de la photochimie d’analogues de glaces interstellaires seront produits à l’IAS puis transportés à l’UNS, extraits et dérivatisés, et les précurseurs supposés du monde ARN, tel que l’aldéhyde glycérique seront résolus dans leurs deux énantiomères, en utilisant une technique nouvelle et ultramoderne  d’analyse multidimensionnelle par un appareil de GCxGC–TOF-MS.La photochimie asymétrique de molécules précurseurs de nucléotides au synchrotron SOLEIL est dépendante de l’activité chiroptique de ces molécules et produira très certainement seulement de petits e.e’s ainsi que nous l’avons démontré dans le cas d’acides aminés. Ainsi donc, toute asymétrie présente dans ces échantillons obtenus par photochimie nécessitera un fort enrichissement énantiomérique afin de pouvoir modéliser l’évolution ultérieure vers des nucléotides pré-génétiques et finalement le monde ARN. La proposition bilatérale CHIRGEN inclut donc une collaboration avec nos collègues de l’Université Autonome de l’Etat de Morelos (UAEM) et de l’Université Nationale Autonome de Mexico (UNAM) à Mexico pour modéliser théoriquement puis évaluer expérimentalement les réactions autocatalytiques qui permettraient une augmentation significative des e.e’s d’abord obtenus à faible niveau par la condensation photoinduite du formaldehyde et de l’aldéhyde glycérique. Un certain nombre de mécanismes autocatalytiques seront examinés et les cinétiques de ces réactions seront déterminées par nos partenaires mexicains. L’échange d’échantillons, irradiés sous cpl entre la France et le Mexique nous permettra de comprendre les processus originaux, photochimique et autocatalytique qui ont conduit à la formation asymétrique du matériel génétique moderne.
Résultats : Les partenaires du projet CHIRGEN ont enregistrés des spectres d’anisotropie des enantiomers du glyceraldehyde dans le centre synchrotron ISA à l’université d’Aarhus du 25 février au 3 mars 2013. Ces spectres nous permettent la détermination de la longueur d’onde de la lumière circulairement polarisées sous laquelle nous irradions le glyceraldehyde racémique au synchrotron SOLEIL. Du 10 au 15 Avril les membres du projet CHIRGEN ont irradiés le glyceraldehyde racémique au synchrotron SOLEIL dans la ligne de la lumière DESIRS pour introduire un excès énantiomérique. Après irradiation les échantillons ont été transportés à UNS pour les analyses énantiosélectives par chromatographie en phase gazeuse multidimensionnelle. Ces analyses sont en cours.
Perspectives : Le projet bilatéral CHIRGEN inclut une collaboration avec nos collègues de l’Université Autonome de l’Etat de Morelos (UAEM) et de l’Université Nationale Autonome de Mexico (UNAM) à Mexico pour modéliser théoriquement puis évaluer expérimentalement les réactions autocatalytiques qui permettraient une augmentation significative des e.e’s d’abord obtenus à faible niveau par la condensation photoinduite du formaldehyde et de l’aldéhyde glycérique. Un certain nombre de mécanismes autocatalytiques seront examinés et les cinétiques de ces réactions seront déterminées par nos partenaires mexicains. L’échange d’échantillons, irradiés sous cpl entre la France et le Mexique nous permettra de comprendre les processus originaux, photochimique et autocatalytique qui ont conduit à la formation asymétrique du matériel génétique moderne. Notre collaboration pourrait résulter en une avancée révolutionnaire dans la compréhension de l’origine de l’homochiralité de nos gènes.
Publications et brevets : A.C. Evans, C. Meinert, J.H. Bredehöft, C. Giri, N.C. Jones, S.V. Hoffmann, and U.J. Meierhenrich: Anisotropy Spectra for Enantiomeric Differentiation of Biomolecular Building Blocks, Topics in Current Chemistry (2013), in print, DOI: 10.1007/128_2013_442.