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En bref
- Les chercheurs et chercheuses peuvent désormais observer les réactions chimiques qui se déroulent dans les liquides avec une résolution temporelle élevée.
- En utilisant leur nouvelle méthode, elles et ils ont étudié une réaction chimique qui pourrait avoir conduit à l'émergence de la vie sur Terre.
- La méthode est pertinente non seulement en biochimie, mais aussi pour d'importantes réactions de synthèse industrielle.
Une équipe de recherche de l'ETH Zurich et de l'Université de Genève a mis au point une nouvelle méthode qui leur permet d'observer les réactions chimiques qui se déroulent dans les liquides avec une résolution temporelle extrêmement élevée. On peut désormais examiner la façon dont les molécules changent en quelques femtosecondes - en d'autres termes, en quelques quadrillionièmes de seconde. La méthode est basée sur des travaux antérieurs réalisés par le même groupe de recherche sous la direction de Hans Jakob Wörner, professeur de chimie physique à l'ETH Zurich. Ces travaux ont abouti à des résultats similaires pour les réactions qui se déroulent dans des environnements gazeux.
Pour étendre leurs observations par spectroscopie de rayons X aux liquides, les scientifiques ont dû concevoir un appareil capable de produire un jet de liquide d'un diamètre inférieur à un micromètre dans le vide. C'était essentiel, car si le jet était plus large, il absorberait une partie des rayons X utilisés pour le mesurer.
Pionnier de la biochimie moléculaire
Grâce à cette nouvelle méthode, les chercheuses et chercheurs ont pu comprendre les processus qui ont conduit à l'apparition de la vie sur Terre. De nombreux scientifiques pensent que l'urée a joué un rôle essentiel dans ce processus. Il s'agit de l'une des molécules les plus simples contenant à la fois du carbone et de l'azote. De plus, il est très probable que l'urée était déjà présente lorsque la Terre était très jeune, ce que suggère également une célèbre expérience réalisée dans les années 1950 : Le scientifique américain Stanley Miller a concocté un mélange de gaz censés avoir constitué l'atmosphère primordiale de la planète et l'a exposé aux conditions d'un orage. Il en est résulté une série de molécules, dont l'urée.
Selon les théories actuelles, l'urée aurait pu s'enrichir dans des flaques chaudes - communément appelées soupe primitive - sur la Terre alors sans vie. Au fur et à mesure que l'eau de cette soupe s'évaporait, la concentration d'urée augmentait. Sous l'effet d'une exposition à des rayonnements ionisants tels que les rayons cosmiques, il est possible que cette urée concentrée ait produit de l'acide malonique au cours de multiples étapes de synthèse. À son tour, cet acide pourrait avoir créé les éléments constitutifs de l'ARN et de l'ADN.
Pourquoi cet outil de réaction précis a-t-il été mis en place ?
Grâce à leur nouvelle méthode, les scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Université de Genève ont étudié la première étape de cette longue série de réactions chimiques afin de déterminer comment une solution d'urée concentrée se comporte lorsqu'elle est exposée à des rayonnements ionisants.
Il est important de savoir que les molécules d'urée d'une solution d'urée concentrée se regroupent par paires, ce que l'on appelle des dimères. Comme les chercheurs et chercheuses ont pu le montrer, les rayonnements ionisants provoquent le déplacement d'un atome d'hydrogène d'une molécule d'urée à l'autre à l'intérieur de chacun de ces dimères. Cela transforme une molécule d'urée en une molécule d'urée protonée et l'autre en un radical d'urée. Ce dernier est chimiquement très réactif - si réactif, en fait, qu'il est très susceptible de réagir avec d'autres molécules, formant ainsi de l'acide malonique.
Les scientifiques ont également réussi à montrer que ce transfert d'un atome d'hydrogène se produit extrêmement rapidement, en l'espace d'environ 150 femtosecondes, soit 150 quadrillionièmes de seconde. «C'est tellement rapide que cette réaction devance toutes les autres réactions qui pourraient théoriquement avoir lieu», explique Hans Jakob Wörner. «Cela explique pourquoi les solutions d'urée concentrées produisent des radicaux d'urée plutôt que d'héberger d'autres réactions qui produiraient d'autres molécules.»
Les réactions dans les liquides sont très importantes
À l'avenir, Hans Jakob Wörner et ses collègues souhaitent examiner les étapes suivantes qui mènent à la formation de l'acide malonique. Ils et elles espèrent que cela les aidera à comprendre les origines de la vie sur Terre.
Quant à leur nouvelle méthode, elle peut également être utilisée de manière générale pour examiner la séquence précise des réactions chimiques dans les liquides. «Toute une série de réactions chimiques importantes se déroulent dans des liquides - non seulement tous les processus biochimiques du corps humain, mais aussi un grand nombre de synthèses chimiques importantes pour l'industrie», explique Hans Jakob Wörner. «C'est pourquoi il est si important que nous ayons élargi le champ d'application de la spectroscopie à rayons X à haute résolution temporelle pour y inclure les réactions dans les liquides».
Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Université de Genève ont été assistés dans ce travail par des collègues du Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) à Hambourg, qui ont effectué les calculs nécessaires à l'interprétation des données de mesure.