Le coût (métabolique) de la vie

Il existe des « coûts de la vie » que la physique mécanique ne peut pas calculer. Un exemple clair est l’énergie nécessaire pour maintenir actifs des processus biochimiques spécifiques — comme ceux qui constituent la photosynthèse, bien que les exemples soient innombrables — tout en empêchant des processus alternatifs de se produire. En mécanique, l’absence de déplacement implique un travail nul et, pour le dire simplement, il n’y a pas de coût énergétique à empêcher quelque chose d’advenir. Pourtant, des calculs rigoureux de thermodynamique stochastique montrent que ces coûts existent bel et bien — et qu’ils sont souvent très significatifs.

Un nouvel article publié dans le Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT) propose une méthode pour calculer ces coûts d’un point de vue thermodynamique, offrant ainsi un nouvel outil pour comprendre la sélection et l’évolution des voies métaboliques à l’origine de la vie.

Lorsque, dans un océan ancien, une poignée de molécules organiques a formé une frontière externe — la première membrane cellulaire — une distinction nette entre un intérieur et un extérieur est apparue pour la première fois. À partir de ce moment, ce système primordial a dû investir de l’énergie pour maintenir cette compartimentation et pour sélectionner, parmi les nombreuses réactions chimiques possibles, seulement quelques voies métaboliques capables d’exploiter des substances précieuses provenant de « l’extérieur » et de les transformer en nouveaux produits. La vie est née conjointement avec cet effort de compartimentation et de choix.

Les processus métaboliques ont un coût énergétique direct, mais ils requièrent également un « coût supplémentaire » pour continuer à orienter les flux chimiques vers une voie privilégiée plutôt que de les laisser se disperser dans toutes les alternatives physiquement possibles. Pourtant, du point de vue de la mécanique classique, la compartimentation et la sélection des réactions — les « contraintes » imposées aux frontières d’un système — ne devraient avoir aucun coût, puisqu’elles sont traitées comme des conditions externes fixes qui ne contribuent pas à la production d’entropie.

Praful Gagrani, chercheur à l’Université de Tokyo et premier auteur de la nouvelle étude, avec ses collègues — Nino Lauber (Université de Vienne), Eric Smith (Georgia Institute of Technology et Earth-Life Science Institute) et Christoph Flamm (Université de Vienne) — ont développé une méthode pour calculer ces coûts jusqu’ici négligés afin de classer les voies métaboliques. Cela permet aux chercheurs d’évaluer leur efficacité biologique — une information précieuse pour les études évolutionnaires explorant l’émergence de la vie sur notre planète.

« Ce qui a inspiré ce nouveau travail, c’est qu’Eric Smith, l’un des coauteurs, a utilisé MØD, un logiciel développé par Flamm et ses collaborateurs, pour énumérer toutes les voies possibles permettant de “construire” des molécules organiques à partir du CO₂ », explique Gagrani.

Il fait référence à l’une des études antérieures de Smith et al. sur le cycle de Calvin, un cycle de réactions chimiques de la photosynthèse qui convertit le dioxyde de carbone en glucose.

« Eric a utilisé l’algorithme pour énumérer toutes les voies capables de réaliser la même conversion que le cycle de Calvin, puis il a utilisé ce que nous appelons aujourd’hui le coût de maintenance dans notre article pour les classer », poursuit Gagrani.

De cette manière, Smith et ses collègues ont montré que le cycle utilisé par la nature figure parmi les voies les moins dissipatives — celles ayant le plus faible coût énergétique. « Génial, non ? », commente Gagrani.

Inspirés par le travail de Smith, Gagrani et ses collègues ont ensuite conçu une méthode générale pour estimer de manière systématique les coûts thermodynamiques des processus métaboliques. Dans leur cadre théorique, la cellule est imaginée comme un système traversé par un flux constant, où, par exemple, une molécule (un nutriment) entre et une autre (un produit ou un déchet) sort. Étant donnée la chimie sous-jacente, on peut générer toutes les voies chimiquement possibles qui convertissent l’entrée en sortie. Chaque voie possède son propre « coût thermodynamique ». Au lieu de calculer l’énergie au sens classique, la méthode estime à quel point il serait improbable — dans un monde régi uniquement par la chimie spontanée — que le réseau (l’ensemble des molécules et des réactions qui convertissent l’entrée en sortie) se comporte exactement de cette manière.

Cette improbabilité comporte deux composantes. La première est le coût de maintenance, c’est-à-dire la probabilité qu’il est faible de maintenir un flux constant à travers une voie donnée. La seconde est le coût de restriction, qui mesure à quel point il est improbable de bloquer toutes les réactions alternatives du réseau tout en maintenant active uniquement la voie d’intérêt.

L’improbabilité calculée représente le coût de ce processus, qui peut ensuite être utilisée pour classer les voies métaboliques selon le degré de « cherté » qu’il représente pour la cellule de maintenir une voie active et de réduire au silence les autres.

« Nous avons observé des choses auxquelles nous ne nous attendions pas, mais qui deviennent logiques une fois qu’on y réfléchit », explique Gagrani. « Par exemple, le fait qu’utiliser plusieurs voies en même temps soit moins coûteux que d’en utiliser une seule. Voici une analogie : imaginez quatre personnes qui doivent aller de A à B en passant par des tunnels étroits. Si chacune a son propre tunnel — quatre tunnels — elles arrivent plus rapidement que s’il n’y en a que trois ou moins, car deux personnes ou plus se gêneraient dans le même passage étroit. »

Dans la nature, cependant, on observe généralement qu’un processus est favorisé au détriment de nombreux autres. Comment l’expliquer ? « C’est vrai, mais dans les systèmes biologiques la catalyse intervient souvent — l’action de molécules facilitatrices, les enzymes — qui accélèrent les réactions et les rendent moins coûteuses, produisant le même effet que plusieurs voies en parallèle. Ce choix évolutif s’explique aussi par le fait que maintenir de nombreuses voies peut avoir d’autres inconvénients, comme la production de nombreuses molécules potentiellement toxiques. »

« Notre méthode, conclut Gagrani, est un outil utile pour étudier l’origine et l’évolution de la vie, car elle permet d’évaluer les coûts du choix et du maintien de processus métaboliques spécifiques. Elle nous aide à comprendre comment certaines voies apparaissent — mais expliquer pourquoi ce sont précisément celles-là qui ont été sélectionnées requiert un effort véritablement multidisciplinaire. »