La est la discipline qui cherche à analyser des molécules organiques préservées dans des spécimens fossiles, que ce soit de l'ADN, des protéines, des glucides ou des lipides, ainsi que leurs produits diagénétiques. Il peut s'agir de restes fossiles d'anciennes espèces humaines, animales ou végétales.
Description Les hétérogénéités de composition des restes carbonés d'une diversité d'organismes, allant du Néoprotérozoïque au récent, ont été liées à des signatures biologiques codées dans des biomolécules modernes via une cascade de réactions de fossilisation oxydative. La composition macromoléculaire des fossiles carbonés, certains d'âge tonien, préserve les signatures biologiques reflétant la biominéralisation originale, les types de tissus, le métabolisme et les affinités relationnelles (phylogénie).
Histoire La paléontologie moléculaire a commencé avec la découverte par Abelson d'acides aminés vieux de d'années conservés dans des coquilles fossiles. Plus récemment, Svante Pääbo est souvent considéré comme l'un des fondateurs de la paléoanthropologie moléculaire, ou paléontologie appliquée au genre Homo.
La paléontologie moléculaire a connu plusieurs avancées majeures depuis les années 1950 et constitue un domaine en constant développement. Vous trouverez ci-dessous une chronologie montrant les contributions notables qui ont été apportées.
Chronologie vignette|centre|redresse=3.5|alt=chronologie de la paléontologier moléculaire en neuf dates|Une chronologie montrant les dates importantes en paléontologie moléculaire
Milieu des années 1950 : Abelson a découvert des acides aminés préservés dans des coquilles fossiles vieilles d’environ d’années. Il a l'idée de comparer les séquences d'acides aminés fossiles avec celles d'un organisme existant afin d'étudier l'évolution moléculaire.
Années 1970 : Les peptides fossiles sont étudiés par analyse des acides aminés. On commence à utiliser des peptides entiers et des méthodes immunologiques.
Fin des années 1970 : les paléobotanistes ont étudié les molécules de plantes fossiles bien préservées.
1984 : Premier séquençage réussi de l'ADN d'une espèce disparue, le quagga, une espèce ressemblant à un zèbre.
1991 : Article publié sur l'extraction réussie de protéines à partir de l'os fossile d'un dinosaure, en particulier de Diplodocus hallorum.
2005 : Des scientifiques ressuscitent le virus grippal disparu de 1918.
2006 : Les séquences d'ADN nucléaire de Néandertal commencent à être analysées.
2007 : Des scientifiques synthétisent à partir de zéro l'intégralité du rétrovirus endogène humain (HERV-K) éteint.
2010 : Une nouvelle espèce humaine, l'Homme de Denisova, est découverte à partir de l'analyse d'un génome mitochondrial extrait d'un fragment de phalange trouvé dans la grotte de Denisova, en Sibérie.
2013 : Le premier génome nucléaire complet de l'Homme de Néandertal est séquencé avec succès, à partir d'un ossement fossile trouvé dans la grotte de Denisova.
2013 : Un ossement fossile de la Sima de los Huesos, en Espagne, daté de , livre des fragments d'ADN mitochondrial qui ne permettent pas encore d'identifier son espèce d'appartenance.
2013 : Mary Schweitzer et ses collègues proposent le premier mécanisme chimique expliquant la préservation potentielle des cellules et des tissus mous des vertébrés dans les archives fossiles. Le mécanisme propose que les radicaux libres d'oxygène, potentiellement produits par le fer rédox-actif, induisent la réticulation des biomolécules. Ce mécanisme de réticulation est quelque peu analogue à la réticulation qui se produit lors de la fixation des tissus histologiques, comme avec le formaldéhyde. Les auteurs suggèrent également que la source de fer serait l'hémoglobine de l'organisme décédé.
2015 : Une dent fossile vieille de contenant de l'ADN dénisovien est signalée.
2018 : Les paléobiologistes moléculaires lient mécaniquement les polymères de composition hétérocyclique N-, O-, S (AGE/ALE, comme mentionné dans la publication citée, Wiemann et al. 2018) dans les restes fossiles carbonés aux biomolécules structurelles des tissus d'origine. Grâce à la réticulation oxydative, un processus similaire à la réaction de Maillard, les résidus d'acides aminés nucléophiles se condensent avec des espèces carbonylées réactives dérivées de lipides et de sucres. Les processus de fossilisation de biomolécules, identifiés via la spectroscopie Raman de tissus modernes et fossiles, la modélisation expérimentale et l'évaluation des données statistiques, comprennent la glycosylation avancée et la lipoxydation avancée.
2019 : Un laboratoire indépendant de paléontologues moléculaires confirme la transformation de biomolécules par glycosylation avancée et lipoxydation lors de la fossilisation. Les auteurs utilisent la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier synchrotron.
2020 : Wiemann et ses collègues identifient des signatures biologiques reflétant la biominéralisation originale, les types de tissus, le métabolisme et l'affinité relationnelle (phylogénie) dans les hétérogénéités de composition préservées d'une diversité de fossiles d'animaux carbonés. Il s'agit de la première analyse à grande échelle de fossiles allant du Néoprotérozoïque au Récent, et du premier enregistrement publié de signaux biologiques trouvés dans la matière organique complexe. Les auteurs s’appuient sur des analyses statistiques d’un ensemble de données de spectroscopie Raman d’une taille unique.
2021 : Les géochimistes trouvent des signaux de type tissulaire dans la composition de fossiles carbonés remontant au Tonien et appliquent ces signaux pour identifier les épibiontes. Les auteurs utilisent la spectroscopie Raman.
2022 : Les données de spectroscopie Raman révélant des modèles de fossilisation de biomolécules structurelles ont été répliquées avec la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et une diversité de différents instruments Raman, filtres et sources d'excitation.
2023 : La première description chimique approfondie de la façon dont les cellules et tissus biologiques originaux se fossilisent est publiée. Surtout, l’étude montre que l’hypothèse des radicaux libres d’oxygène (proposée par Mary Schweitzer et ses collègues en 2013) est dans de nombreux cas identique à l’hypothèse de la formation AGE/ALE (proposée par Jasmina Wiemann et ses collègues en 2018). Les hypothèses combinées, ainsi que la maturation thermique et la carbonisation, forment un cadre souple pour la fossilisation des cellules biologiques et des tissus.
ADN fossile La paléogénétique a fourni des informations importantes sur les événements évolutifs, les diasporas d'espèces, la découverte et la caractérisation d'espèces disparues. En peu de temps, les progrès dans le domaine de la paléogénétique ont permis aux scientifiques de résoudre des questions évolutives auparavant fondées sur la variation phénotypique. En appliquant des techniques d'analyse moléculaire à l'ADN des restes d'animaux récents, on peut quantifier le niveau de parenté entre deux organismes dont on a extrait l'ADN. En utilisant diverses techniques biotechnologiques telles que l’isolement, l’amplification et le séquençage de l’ADN, les scientifiques ont pu acquérir de nouvelles connaissances sur la divergence et l’histoire évolutive d’innombrables organismes récemment éteints. En , des scientifiques ont rapporté, pour la première fois, le séquençage de l'ADN de restes d'animaux, en l'occurrence un mammouth, vieux de plus d'un million d'années, le plus ancien ADN séquencé à ce jour.
ADN mitochondrial vs ADN nucléaire vignette|redresse=1.5|alt=Une infographie contrastée de l'héritage de l'ADN mitochondrial et nucléaire|Contrairement à l’ADN nucléaire (à gauche), l’ADN mitochondrial est uniquement hérité de la lignée maternelle (à droite).
L'ADN mitochondrial (ADNmt) est distinct de l'ADN nucléaire. Il est présent dans des organelles appelées mitochondries dans chaque cellule. Contrairement à l’ADN nucléaire, qui est hérité des deux parents et réorganisé à chaque génération, une copie exacte de l’ADN mitochondrial est transmise de la mère à ses fils et filles. L’avantage d’effectuer une analyse d’ADN avec l’ADN mitochondrial est qu’il présente un taux de mutation bien inférieur à celui de l’ADN nucléaire, ce qui facilite grandement le suivi des lignées à l’échelle de plusieurs dizaines de milliers d’années. Connaissant le taux de mutation des bases de l'ADNmt (chez l'homme, ce taux est également connu sous le nom d'horloge moléculaire mitochondriale humaine), on peut déterminer la durée pendant laquelle deux lignées ont été séparées. Un autre avantage de l'ADNmt est qu'il existe des milliers de copies dans chaque cellule, alors que seulement deux copies de l'ADN nucléaire existent dans chaque cellule. Tous les eucaryotes, un groupe qui comprend toutes les plantes, animaux et champignons, possèdent un ADNmt. Un inconvénient de l’ADNmt est que seule la lignée maternelle est représentée. Par exemple, un enfant héritera de 1/8 de son ADN de chacun de ses huit arrière-grands-parents, mais il héritera d'un clone exact de l'ADNmt de son arrière-grand-mère maternelle. Ceci est analogue à un enfant héritant uniquement du nom de famille de son arrière-grand-père paternel, et non d'un mélange des huit noms de famille.
Préparation Lorsqu’un nouveau spécimen fossile est découvert, les scientifiques effectuent généralement d’abord une analyse de préservation des cellules et des tissus à l’aide de techniques histologiques, puis testent les conditions de survie de l’ADN. Ils tenteront ensuite d'isoler un échantillon d'ADN en utilisant la technique décrite ci-dessous et effectueront une amplification PCR de l'ADN pour augmenter la quantité d'ADN disponible pour les tests. Cet ADN amplifié est ensuite séquencé. On prend soin de vérifier que la séquence correspond aux traits phylogénétiques de l'organisme. Lorsqu’un organisme meurt, une technique appelée datation des acides aminés peut être utilisée pour dater l’organisme. Il inspecte le degré de racémisation de l'acide aspartique, de la leucine et de l'alanine dans les tissus. Au fil du temps, le rapport D/L (où « D » et « L » sont des images miroir l'un de l'autre) augmente de 0 à 1. Dans les échantillons où le rapport D/L de l'acide aspartique est supérieur à 0,08, les anciennes séquences d'ADN ne peuvent pas être récupérées (à partir de 1996).
Isolement Il y a de nombreux éléments à prendre en compte lors de l’isolement d’une substance. Premièrement, selon de quoi il s'agit et où il se trouve, certains protocoles doivent être mis en œuvre afin d'éviter toute contamination et toute dégradation supplémentaire de l'échantillon. Ensuite, la manipulation des matériaux s'effectue généralement dans une zone de travail physiquement isolée et dans des conditions spécifiques (c'est-à-dire température, humidité, etc.) également pour éviter toute contamination et toute perte supplémentaire d'échantillon.
Une fois le matériau obtenu, selon de quoi il s’agit, il existe différentes manières de l’isoler et de le purifier. L'extraction d'ADN à partir de fossiles est l'une des pratiques les plus populaires et différentes étapes peuvent être suivies pour obtenir l'échantillon souhaité. L'ADN extrait de fossiles ensevelis dans l'ambre peut être prélevé à partir de petits échantillons et mélangé avec différentes substances, centrifugé, incubé et centrifugé à nouveau. D'un autre côté, l'extraction de l'ADN des insectes peut être effectuée en broyant l'échantillon, en le mélangeant avec un tampon et en le soumettant à une purification sur des colonnes en fibre de verre. En fin de compte, quelle que soit la manière dont l'échantillon a été isolé pour ces fossiles, l'ADN isolé doit pouvoir subir une amplification.
Amplification vignette|redresse=1.5|alt=Une infographie montrant le processus de réplication de la PCR | Réaction en chaîne par polymérase.