Dans des mélanges gazeux reconstituant l'atmosphère primitive de la Terre — telle que nous la connaissons par l'astrophysique —, l'apport d'énergie, sous forme, par exemple, de décharges électriques ou de rayonnements ionisants, synthétise des acides aminés, des nucléotides, et des molécules aussi importantes que l'adénosine-triphosphate (ATP), qui est le réservoir d'énergie des organismes vivants. Le biologiste cinghalais Cyril Ponnamperuma, qui a synthétisé ainsi l'ATP, dirige aujourd'hui à la NASA le département d'exobiologie, étude des possibilités d'une vie extraterrestre.

Une difficulté majeure subsistait : pour la thermodynamique classique, l'énergie, à l'intérieur d'un système, va se dégradant, et l'ensemble du système évolue vers une moindre organisation. Or, c'est le contraire qui s'observe dans les organismes vivants. L'obstacle a été levé quand, en 1965, on a montré que dans les systèmes ouverts, qui reçoivent de l'énergie de l'extérieur, cette loi n'est plus valable.

La paléobiochimie

Ainsi l'apparition de la vie a résulté non d'un hasard miraculeux, mais de lois physico-chimiques qui déterminent, dans certaines conditions, l'organisation des molécules organiques en systèmes de plus en plus complexes, permanents et auto-reproducteurs.

Sur ces processus archaïques d'organisation, de nombreux rapports ont été présentés à Pont-à-Mousson, notamment par le Belge René Florkin et par René Buvet, professeur à la faculté des sciences de Paris, organisateur de la conférence. Il apparaît que certaines protéines primitives seraient peut-être des poisons violents pour les êtres vivants actuels. Cette voie de recherches — la paléobiochimie — est surtout suivie par les chercheurs français et soviétiques, ceux-ci s'attachant davantage, à la suite d'Oparine, au travail théorique, et ceux-là à l'expérimentation. Les Américains, avec Sidney Fox et Calvin, ont une position plus pragmatique et cherchent à retrouver la trace des mécanismes prébiologiques dans les mécanismes biologiques actuels. Pour les uns comme pour les autres, le problème de la vie a cessé d'être du ressort des spéculations philosophiques pour devenir une branche de la physicochimie.

Fragments d'hérédité isolés en éprouvette

L'une des grandes ambitions de la biologie contemporaine est d'expliquer dans le détail le fonctionnement des gènes, c'est-à-dire des éléments d'un chromosome correspondant à des caractères héréditaires déterminés. Une équipe de jeunes chercheurs américains, dirigée par J. Beckwith, à l'université Harvard, est parvenue à isoler un groupe de gènes à l'état pur.

L'opéron lactose

Le matériel biologique utilisé est la bactérie Escherichia coli, objet de choix, depuis quelques années, de la recherche fondamentale. Déroulé, le chromosome de cette bactérie se présente sous la forme d'un cordon long de 2 mm. Sur 40 % de cette longueur, la fonction génétique est maintenant connue ; environ 2 microns (millièmes de millimètre) sont occupés par les gènes qui contrôlent le métabolisme du lactose.

Il s'agit principalement : d'un gène y, gouvernant la synthèse d'une enzyme qui intervient dans la pénétration du lactose à l'intérieur de la bactérie ; d'un gène z, gouvernant la synthèse d'une enzyme qui scinde le lactose en sucres plus simples (glucose et galactose) ; d'un gène a, gouvernant la synthèse d'une enzyme dont la fonction n'est pas encore élucidée ; et enfin des gènes i, p et o, qui contrôlent l'activité des gènes précédents, en fonction de l'absence ou de la présence de lactose. L'ensemble des gènes i - p - o - y - z - a constitue l'opéron lactose, décrit en 1961 pour la première fois par Jacob et Monod. C'est ce groupe de gènes que l'équipe de Beckwith a isolé à l'état pur.

Les techniques utilisées exploitaient la lysogénie, phénomène largement éclairé par les travaux de Lwoff. Un virus bactériophage pénètre dans la bactérie ; son matériel génétique — qui est ici de l'ADN (acide désoxyribonucléique) — s'intègre à l'ADN du chromosome de la bactérie. Dans certaines conditions, l'ADN viral peut se détacher du chromosome bactérien en emportant une petite partie de celui-ci, se multiplier sous cette forme nouvelle et se répandre après destruction de la bactérie.

Double chaîne

Beckwith et ses collaborateurs sont ainsi parvenus à sélectionner deux souches de virus, contenant l'une et l'autre, dans leur matériel génétique, les gènes de l'opéron lactose pris à la bactérie, avec en plus leurs propres gènes et d'autres gènes bactériens, différents pour chaque souche. L'opération suivante consista à associer une chaîne d'ADN provenant de la première souche virale à une chaîne d'ADN provenant de l'autre souche. Les parties homologues des deux chaînes — c'est-à-dire les opérons lactose — s'apparièrent pour former la double chaîne naturelle de l'ADN. Les parties non homologues formaient des brins non appariés ; pour les éliminer, les chercheurs utilisèrent en guise de scalpel une enzyme, la nucléase, qui a la propriété de scinder les chaînes d'ADN simples. La chaîne double restante fut ainsi constituée par les seuls opérons lactose : en quelque sorte, des éléments d'hérédité étaient pour la première fois obtenus à l'état pur, ce qui permet d'étudier les mécanismes moléculaires de l'activité génétique avec une finesse jamais encore atteinte. L'événement a d'autant plus impressionné que les mêmes techniques sont applicables à d'autres gènes. La maîtrise de la machinerie génétique se traduira par d'inestimables progrès pour la médecine ; mais les pessimistes craignent que, comme tant d'autres réussites de la science, elle puisse aussi être dirigée contre la survie de l'espèce.

Un nouveau messager de l'hérédité : l'ADN informationnel

Les protéines sont, on le sait, des chaînes d'acides aminés synthétisés par des organites du cytoplasme cellulaire, les ribosomes (Journal de l'année 1966-67). La nature, le nombre et l'ordre d'assemblage des acides aminés, caractéristiques de chaque protéine, sont inscrits en code génétique dans l'ADN du noyau. Jacob et Monod ont montré que le transfert de l'information du noyau aux ribosomes se déroule en deux temps : une phase de transcription, dans laquelle l'information est prise en charge par une molécule d'acide ribonucléique, dite ARN messager (ARNm) ; une phase de traduction, qui s'effectue dans les ribosomes. La transcription est sensible à des signaux chimiques provenant du métabolisme ; ils règlent la quantité de messager actif selon les besoins de la cellule en chaque protéine.