Tous les êtres vivants doivent obéir aux lois de la physique – y compris la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que le désordre de l’univers, ou entropie, ne peut que croître. Les cellules et les organismes hautement ordonnés semblent contredire ce principe, mais ils s’y conforment en réalité car ils génèrent de la chaleur qui augmente l’entropie globale de l’univers.
Pour autant, des questions demeurent : Quel est le seuil théorique de la quantité de chaleur qu’une cellule vivante doit générer pour respecter ses contraintes thermodynamiques ? Et dans quelle mesure les cellules s’approchent-elles de cette limite ?
Dans un article récent paru dans le Journal of Chemical Physics, le physicien du MIT Jeremy England a modélisé mathématiquement la réplication de la bactérie E. coli et a constaté que le processus est presque aussi efficace que possible : E. coli ne produit au maximum qu’environ six fois plus de chaleur que ce dont elle a besoin pour respecter les contraintes de la deuxième loi de la thermodynamique.
« Compte tenu de la composition de la bactérie et de la rapidité de sa croissance, quelle serait la quantité minimale de chaleur qu’elle devrait évacuer dans son environnement ? Si l’on compare cette quantité avec la quantité de chaleur qu’elle dégage effectivement, on constate qu’elles sont à peu près sur la même échelle », explique M. England, professeur adjoint de physique. « C’est relativement proche de l’efficacité maximale. »
L’approche d’England pour modéliser les systèmes biologiques fait appel à la mécanique statistique, qui calcule les probabilités de différents arrangements d’atomes ou de molécules. Il s’est concentré sur le processus biologique de la division cellulaire, par lequel une cellule devient deux. Au cours du processus de réplication, qui dure 20 minutes, une bactérie consomme une grande quantité de nourriture, réarrange un grand nombre de ses molécules – y compris l’ADN et les protéines – puis se divise en deux cellules.
Pour calculer la quantité minimale de chaleur qu’une bactérie doit générer au cours de ce processus, England a décidé d’étudier la thermodynamique du processus inverse – c’est-à-dire deux cellules qui deviennent une. Ce phénomène est si improbable qu’il ne se produira probablement jamais. Cependant, la probabilité qu’il se produise peut être estimée en agrégeant les probabilités d’inverser toutes les petites réactions qui ont lieu pendant la réplication.
L’une des réactions courantes qui se produisent pendant la réplication est la formation de nouvelles liaisons peptidiques, qui forment l’ossature des protéines. Inverser spontanément ce type de réaction prendrait environ 600 ans, explique England. Le nombre de liaisons peptidiques dans une bactérie typique est d’environ 1,6 milliard, et la puissance thermique nécessaire pour briser toutes ces liaisons est d’environ 100 milliards d’unités naturelles.
« Il faudrait que j’attende vraiment longtemps pour voir toutes ces liaisons se défaire », dit England.
En estimant le temps d’attente nécessaire pour observer une inversion spontanée de la réplication, England a calculé que la quantité minimale de chaleur qu’une bactérie doit générer lorsqu’elle se divise est un peu plus d’un sixième de la quantité qu’une cellule d’E. coli produit réellement pendant la réplication.
« En tant que physicien essayant de contribuer à l’étude de la vie, je trouve son succès extrêmement encourageant », déclare Carl Franck, professeur associé de physique à l’université Cornell. « Avec élégance, il fournit un aperçu quantitatif d’un aspect essentiel de la matière vivante : la réplication. Il met le doigt sur ce qui est simple et intéressant dans quelque chose de très compliqué. »
La découverte suggère que les bactéries pourraient se développer beaucoup plus rapidement qu’elles ne le font actuellement tout en obéissant à la deuxième loi de la thermodynamique. Selon England, la réplication cellulaire n’étant qu’une des nombreuses tâches que les E. coli doivent accomplir, il est peu probable qu’ils évoluent vers leur taux de croissance le plus efficace possible. Cependant, pour les applications de biologie synthétique, il pourrait être utile de créer des bactéries qui peuvent se diviser plus rapidement, ce que cet article montre comme étant théoriquement possible.
Le document peut également offrir des preuves de la raison pour laquelle l’ADN, et non l’ARN, a évolué comme la principale forme de matériel génétique, dit England : L’ADN est plus durable et ne rompt pas spontanément ses liens aussi facilement que l’ARN. Cela signifie que l’ARN peut avoir un avantage sur l’ADN car il peut se développer plus rapidement et utiliser les ressources disponibles. Cela soutient une hypothèse suggérée précédemment selon laquelle l’ARN pourrait avoir évolué en premier, avant l’apparition de la vie sur Terre, et l’ADN serait apparu plus tard.
« Je pense que c’est une façon utile d’essayer d’avoir un peu plus de prise sur les différents types de forces de sélection qui ont pu agir sur les acides nucléiques », dit England.
Il utilise maintenant la même approche théorique pour modéliser comment les cellules auto-réplicatives évoluent en élaborant de nouvelles façons de s’adapter aux fluctuations environnementales.