Dans le contexte prébiotique du " monde ARN ", les ribonucléotides sont considérés comme étant les premières espèces à avoir émergé sur Terre. En milieu aqueux, leur formation est défavorable thermodynamiquement. Les voies de synthèse de nucléotides décrites en phase homogène impliquent l'utilisation des molécules activées. En 1951, Bernal a introduit une autre voie de synthèse impliquant des surfaces minérales. Cependant, dans cette voie, les effets thermodynamique et/ou catalytique des surfaces minérales restent inexplorés. Dans le cadre de l'hypothèse de Bernal, notre travail présente pour la première fois une étude in-situ de la réactivité thermique des " briques élémentaires " des nucléotides adsorbés sur des surfaces minérales avec comme objectif de réaliser la synthèse des nucléotides sans activation chimique. Ce travail a montré dans un premier temps que les surfaces minérales sont capables de déclencher la formation de polyphosphates inorganiques à partir de monophosphates à des températures modérées. D'autre part, l'adsorption du ribose sur la surface de la silice a permis d'améliorer sa stabilisation thermique : alors qu'il est instable dès 90°C en milieux aqueux, il devient stable jusqu'à 200°C après adsorption sur la silice. Dans un deuxième temps, nous avons mis en évidence la formation de PRPP, un intermédiaire réactionnel très important, par co-adsorption du ribose avec du phosphate inorganique sur la surface de la silice. Enfin, on a pu montrer la glycosylation de l'adénine et la formation après co-adsorption de ses composants sur les deux surfaces minérales utilisées. Une étude préliminaire suggère même la possibilité de dimérisation des nucléotides. / In the « RNA world» prebiotic scenario, ribonucleotide polymers are considered as the first biochemical species to have emerged. However, in aqueous solution, their formation through conventional mechanisms of condensation is thermodynamically forbidden. Several synthesis pathways of nucleotides have been described in aqueous solution; most often, they involve chemically activated molecules. Another pathway to nucleotides implies mineral surfaces, which have been considered in prebiotic processes at least since the work of Bernal in 1951. However, these studies have hardly tried to understand surface-molecule interactions and consequently, thermodynamic and/or catalytic effects of mineral surfaces are not well rationalized. In the context of Bernal's hypothesis, we present for the first time an in-situ study of the thermal reactivity of nucleotides “building blocks” adsorbed on mineral surfaces (amorphous silica, saponite) emphasizing the synthesis of nucleotides without chemical activation. In our work, we first show that mineral surfaces are able to trigger the formation of inorganic polyphosphates from monophosphates at moderate temperatures. On the other hand, adsorption of ribose on silica surface improves its thermal stabilization. While ribose decomposes at 90°C in aqueous solutions, it is stable up to 200°C on silica (in the presence of ZnCl2). Secondly, we have demonstrated the formation of PRPP, as important reaction intermediate, by co-adsorption of ribose and inorganic phosphate on the silica surface. Finally, we showed the glycosylation of adenine to adenosine and the formation of AMP (i.e. simultaneous glycosylation and phosphorylation) after co-adsorption of their components on both mineral surfaces employed. A preliminary study even suggests that nucleotide dimerisation can occur in the same conditions.

Titan, la plus grosse lune de Saturne, est l'un des objets planétaires clé dans le domaine de l'exobiologie. Son atmosphère dense et riche en diazote est le siège d'une chimie organique intense. Ce travail de thèse se concentre sur les aérosols organiques produits dans son atmosphère. Ces derniers jouent un rôle essentiel dans l'évolution de l'atmosphère et de la surface du satellite mais aussi dans sa chimie organique d'intérêt exobiologique. Dans un premier temps, afin de disposer d'analogues de laboratoires (« tholins ») fiables de ces aérosols, un dispositif permettant d'obtenir des tholins propres a été développé, testé puis optimisé. Puis, deux aspects complémentaires des aérosols de Titan ont été étudiés :- Leurs propriétés optiques. En effet, la connaissance de ces dernières est indispensable, entre autres, pour l'analyse et l'interprétation des données d'observations de Titan. Une étude détaillée et critique de l'ensemble des données disponibles relatives aux indices de réfraction a été menée. Elle a permis de mettre en évidence les lacunes à combler. En parallèle, des mesures expérimentale ont permis de déterminer la matrice de diffusion à plusieurs longueurs et pour une large gamme d'angles de diffusion. Les résultats obtenus montrent que les tholins ne présentent pas une forme en agrégats comme les aérosols de Titan bien que les données acquises semblent bien représenter les données d'observations de Titan.- Leurs possibilités d'évolution chimique une fois à la surface, en particulier, la possible interaction des aérosols avec un cryomagma d'eau-ammoniaque. Des modèles de formation de Titan ont permis de déterminer une composition en sel de l'océan interne et de la cryolave. A partir de cette composition originale, une étude expérimentale de diverses hydrolyses des tholins a été effectuée. Les résultats obtenus montrent la formation de nombreux composés organiques dont des molécules d'intérêts exobiologiques, parmi elles, des espèces identifiées seulement en présence de sels. De plus, une liste des précurseurs potentiels de ces composés a été établie ce qui pourrait constituer une base de donnée pour la recherche de la composition chimique des tholins et/ou aérosols de Titan / Titan, the largest moon of Saturn, is one of the key planetary objects in the exobiology field. Its dense, nitrogen-rich atmosphere is the site of intense organic chemistry. This PhD work focuses on the organic aerosols which are produced in Titan's atmosphere. They play an important role in atmospheric and surface processes but also in its organic chemistry of exobiology interest. At first, in order to produce reliable laboratory analogs (“tholins”) of these aerosols, a device for the synthesis of clean tholins has been developed, tested and optimized. Then two complementary aspects of Titan aerosols have been studied :- Their optical properties. Indeed, their knowledge is prime importance to analyze and to better interpret many of Titan's observational data. A detailed and critical review of all available data on refractive indices was conducted. The lacks in this field have been highlighted. In parallel, direct experimental measurements were used to determine the scattering matrix at two wavelengths and for a wide range of scattering angles. The obtained results show that the tholins do not have the shape of aggregates such as Titan aerosols although the acquired data seem to match with observational data.- Their potential chemical evolution at Titan surface, in particular, the possible interaction between aerosols and putative ammonia-water cryomagma. Modelings of Titan formation have recently permitted the characterization of a composition in salts of the subsurface ocean and the cryolave. From this new and original chemical composition, a laboratory study of several hydrolyses of tholins has been carried out. The obtained results show the formation of many organic compounds, among them, species identified only in the presence of salts. In addition, a list of potential precursors of these compounds has been established

La recherche de traces minérales ou organiques témoignant d'une habitabilité passée ou présente de la surface de la planète Mars est au coeur du programme d'exploration de la planète. De nombreuses molécules organiques ont pu être apportées ou synthétisées à la surface depuis la formation de la planète. Cependant, aucune molécule organique n'a été identifiée de manière ferme jusqu'à aujourd'hui. Or, les conditions environnementales martiennes actuelles sont favorables à l'évolution voire à la dégradation des molécules organiques à cause de la présence de rayonnement ultraviolet énergétique, de particules énergétiques et de processus d'oxydation. La compréhension de l'évolution des molécules organiques dans cet environnement permettra de préparer et d'aider à l'interprétation de futures missions d'exploration in situ de la surface de Mars comme les missions MSL 2011 et ExoMars 2018. Afin de caractériser l'évolution de la matière organique à la surface de Mars, j'ai développé un dispositif expérimental original permettant d'étudier l'évolution de molécules organiques soumises aux conditions d'irradiation et d'oxydation régnant à la surface de Mars. Ce dispositif est capable de simuler les interactions entre la matière organique, les phases minérales, la glace d'eau et le rayonnement UV. La première cible de cette étude est la glycine, un acide aminé du vivant. La glycine est rapidement photodissociée dans les conditions de température et de pression représentatives de la surface de Mars. La présence de particules minérales ne provoque pas d'effet catalyseur ou de protecteur sur l'évolution de la glycine. Au contraire la présence de glace d'eau semble accélérer la dégradation de la glycine, probablement grâce à la formation d'espèces radicalaires lors de la photolyse de la glace d'eau. Ces expériences ont permis de qualifier le dispositif expérimental et ouvrir de nombreuses perspectives.

L'élongation de peptides ou d'acides aminés N-acylés via une activation C-terminale (par exemple par un carbodiimide) est délaissée en synthèse peptidique à cause de l'épimérisation rapide des intermédiaires 5(4H)- oxazolones issus de cette activation. Au contraire, cela représente une voie prometteuse en chimie prébiotique où les substrats sont a priori racémiques, et où une étape d'épimérisation peut favoriser un scénario protométabolique / autocatalytique d'émergence de l'homochiralité. Partant de travaux récents qui montraient clairement que l'activation C-terminale de peptides en milieu aqueux procède surtout via une 5(4H)-oxazolone, nous avons étudié la stéréosélectivité des couplages peptidiques qui en résultent dans des conditions prébiotiques plausibles (milieu aqueux dilué à pH faiblement acide). Notre étude sur des peptides modèles (préparés par des méthodes classiques de synthèse peptidique et comportant un résidu tyrosine qui facilite l'analyse par HPLC) visait à évaluer l'effet de la configuration des résidus voisins ou des nucléophiles ; elle a montré la formation d'excès diastéréomériques significatifs en faveur de dérivés homochiraux, sous l'influence prépondérante de la chiralité du nucléophile.Nous avons ensuite étudié la réactivité de dipeptides libres dans les mêmes conditions, pour évaluer la formation compétitive de dicétopipérazine (DCP), qui est susceptible de bloquer l'élongation au-delà du dipeptide. La formation de DCP est prépondérante à partir de dipeptides faiblement activés, mais n'a pas lieu en présence d'agents d'activation de potentiel élevé (e.g. l'EDC) qui favorisent la formation plus rapide d'oxazolone et permet l'élongation peptidique ; ces derniers résultats soulignent l'importance prébiotique de potentiels d'activation élevés. / The elongation of peptides or N-acylamino acids through C-terminus activation is usually avoided in peptide synthesis, because of the fast epimerisation of 5(4H)-oxazolones intermediates resulting form such activation. Conversely, it represents a promising perspective in prebiotic chemistry where substrates are assumed to be racemic, and where an epimerisation step may favour a protometabolic / autocatalytic scenario of emergence of homochirality.Based on recent works which clearly showed that the C-terminus activation of peptides in aqueous media mostly proceed through a 5(4H)-oxazolone, we investigated the stereoselectivity of peptide couplings resulting therefrom under plausible prebiotic conditions (dilute aqueous medium at weakly acidic pH). Our study on model peptides (prepared by classical peptide synthesis methods, and bearing a tyrosine residue which facilitates HPLC analysis), aimed at assessing the influence of the configuration of the vicinal peptide residue or of the nucleophile; we observed significant diastereomeric excesses in favour of homochiral sequences, under the preponderant influence of the chirality of the nucleophile.Then we investigated the reactivity of free dipeptides under the same conditions, to assess the extent of diketopiperazine (DKP) formation, which may prevent further elongation beyond dipeptides. While DCP formation is preponderant from weakly activated peptides, id does not occur in the presence of high potential activation agents (e.g. EDC), which favour the faster formation of oxazolone and allow subsequent peptide eleongation; these last results undeline the prebiotic importance of high activation potentials.

Les surfaces minérales auraient eu un rôle important dans la chimie prébiotique, grace à leurs propriétés catalytiques, tel que le champ électrique de surface. Dans ce travail, le champ électrique à la surface de MgO et à l'interface MgO/eau est étudié en utilisant la dynamique moléculaire ab-initio. Ce champ est local et intense, de l'ordre de V/Å, même lorque la surface est recouverte d'eau. Une réaction prébiotique modèle est ensuite étudiée, à la surface de MgO : une molécule de monoxide de carbone et une molécule d'eau, donnant une molécule d'acide formique. En utilisant la métadynamique, et sans connaissance des états de transition en amont, des chemins de réaction sont trouvés et leurs profils d 'énergie libre sont calculés à 5 kcal/mol près, avec l'aide d'un échantillonage dans l'espace des configurations par « umbrella sampling ». La présence de la surface minérale stabilise l'acide formique d'au moins 15 kcal/mol par-rapport au cas en solution sans surface. La même réaction a aussi été étudiée sous un champ électrique homogène de 0,3 V/Å, afin de comparer l'effet de ce champ à l'effet du champ de surface sur le paysage d'énergie libre. Le champ homogène stabilise aussi le produit, et l'acide formique se trouve orienté dans la direction du champ électrique de surface ainsi que dans le champ électrique homogène. Ce travail montre que les conditions proche d'une surface minérale, même sans adsorption directe, peut modifier considerablement le paysage d'énergie libre de réactions chimiques, ce qui pourrait avoir de l'importance en chimie prébiotique. / Mineral surfaces are thought to be of importance to prebiotic chemistry due to their catalytic properties, which include a strong electric field at the interface. In this work the electric field at the surface of MgO and at the interface of MgO and water is studied through ab-initio molecular dynamics. The spontaneous electric field from the surface is found to be local and intense, on the order of V/Å, even when completely covered with water. A model prebiotic reaction is then studied on the model MgO surface : carbon monoxide and water yielding formic acid. Using metadynamics, reaction pathways were found with no a priori knowledge of the transition states, and umbrella sampling was then used to compute free energy landscapes to about 5 kcal/mol accuracy. The presence of the mineral surface was found to stabilise formic acid by at least 15 kcal/mol compared to the bulk case. The reaction was also studied in solution with an applied electric field of 0.3 V/Å, in order to estimate to impact of the surface electric field on the free energy landscape. The field is also found to stabilise the product, and formic acid is found to have a preferred orientation in the direction of both the applied electric field and the surface electric field. This work shows that near surface conditions (without direct adsorption) can significantly alter the free energy landscapes of chemical reactions, in a way which could be of importance for prebiotic chemistry.

Le développement d’outils de détection in situ (IDT) est indispensable pour rapporter entemps réel la présence d’une signature moléculaire spécifique. L’efficacité d’un IDT estliée à son affinité, à sa spécificité, mais aussi à son potentiel à opérer dans des conditionsimposées par le contexte d’application. Parmi les contraintes imposées, la variation detempérature, le pH et la présence de solvant d’extraction. Le but du projet est dedévelopper des aptamères capables d’opérer en présence de solvant organique ; à ceteffet, nous avons opté pour une sélection en présence de méthanol. La limitation decette stratégie est principalement liée à la nature chimique des acides nucléiques. Parconséquent, nous avons choisi d’utiliser une banque ADN incorporant le (5-(octa1,7-diynyl)-2’-deoxyuridine) dDOTP, au lieu du dTTP. Notre stratégie expérimentale aabouti à la sélection d’un aptamère qui lie spécifiquement l’adénine en présence de 25 %de méthanol. Nous avons montré que les dDOTP sont essentiels à l’interaction del’aptamère avec l’adénine ; l’aptamère sélectionné comporte un motif riche en G partagéavec l’aptamère anti-adénosine, cependant, l’aptamère sélectionné dans le méthanolcomporte un motif structural indispensable à l’interaction avec la cible en présence deméthanol. Par ailleurs, nous avons montré que l’aptamère sélectionné pourraitfonctionner comme un module de reconnaissance spécifique d’un biocapteur. / Development of in situ detection tools (IDT) is required for specific real time monitoringof chemical species. Efficient IDT is not only related to its affinity and ability todiscriminate between molecular variants, but moreover it must be adapted for operatingunder conditions imposed by the context of application. Among others, hightemperature, pH variation and presence of organic solvents may be mentioned. The aimof our project is to develop an aptamer operating in the presence of organic solvents. Forthis purpose, we opted for selection in presence of methanol. Limitations of this strategyare adaptability of SELEX technology and chemical diversity of nucleic acids. For thispurpose, we used library incorporating (5-(octa1,7-diynyl)-2’-deoxyuridine) dDOTPinstead of conventional thymine nucleotide. Our experimental strategy led to theselection of an aptamer that specifically recognises adenine in the presence of 25 % ofmethanol. dDOTP nucleotides are essential for adenine recognition; the selectedaptamer shares a purine rich motif with a previously described adenosine aptamer, butdisplays a specific structure motif, essential for operating in the presence of methanol.Furthermore, the ability of truncated variants of the selected aptamer to form arecognition module of biosensor was assessed in this study.

La thèse aborde différentes questions de chimie prébiotique dans le contexte de l’origine de la vie par une approche de chimie systémique. La première partie est dédiée à l’étude de processus d’activation chimique important non seulement pour la formation de polymères, mais aussi pour alimenter le système en énergie de manière à le maintenir dans un état éloigné de l’équilibre, un prérequis pour l’auto-organisation. Il a été suggéré que les intermédiaires 5(4H)-oxazolones formés par l’activation de l’extrémité C-terminale des peptides pourrait être impliquée dans l’auto-organisation du vivant. Dans ce but, nous avons évalué la réactivité de réactifs pertinents dans un contexte prébiotique et décrits dans la littérature comme capables d’activer des acides α-aminés. Aucun d’entre eux n’a manifesté une activité satisfaisante pour l’activation C-terminale des peptides, montrant qu’une voie possible pour alimenter un protométabolisme des peptides en énergie n’est pas identifiée à ce jour à l’exception notable des N-carboxyanhydrides (NCA) qui peuvent être formé par des voies prébiotiquement plausibles. Nous avons par ailleurs démontré que les carbodiimides sont aussi efficaces pour l’activation des N-carbamoylamino acides que pour celle du carboxyle terminal des peptides en milieu aqueux dilué. La seconde partie du document expose de nouveaux résultats en faveur d’un processus de coévolution peptides-nucléotides. D’abord, une étude de la réactivité d’agents d’aminoacylation de l’extrémité 3’ de l’ARN est présentée. Ensuite, nous évaluons des co-polymères acides α-aminés-nucléotides liés par des enchaînements phosphoramidate et esters comme partenaires éventuels de l’évolution chimique. La pertinence cinétique de ces structures est démontrée ainsi que des voies chimiques permettant leur formation. / The thesis addresses several issues in prebiotic chemistry in the context of the origins of life through a systems chemistry approach. The first part is devoted to the study of chemical activation processes that are not only important in the formation of polymers, but also to feed the system with energy in order that a far from equilibrium state is maintained, a prerequisite for self-organization. It has been suggested that 5(4H)-oxazolones intermediates formed by C-terminus peptide activation could be involved in self-organization of life. To this aim, we have checked the reactivity of relevant prebiotic reagents previously proposed to activate α-amino acids. None of them led to a satisfactory C-terminus activation of peptides, showing that no general process for feeding a protometabolism of peptides with energy is identified yet, with the notable exception of N-carboxyanhydrides (NCAs) that can be formed through prebiotically relevant pathways. Additionally, we demonstrated that carbodiimides reagents are as efficient in the activation of N-carbamoyl amino acids as in that of the C-terminus of peptides in diluted aqueous media. The second part of the dissertation discloses new results in support of a process of coevolution of peptides and nucleotides. Firstly, a study of non-enzymatic aminoacylation reagents of the 3’-terminus of RNA is presented. Secondly, we assessed co-polymers of α-amino acids and nucleotides bound by phosphoramidate and ester linkages as potential players in chemical evolution. The kinetic relevance of these structures was demonstrated as well as potential chemical processes that allow their formation.