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Biologie intégrative des populations, Evolution moléculaire (BIPEM)
Thème interdisciplinaire de recherche
Origines de la vie - Hérédités - Arts et Sciences
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Conseil Scientifique Université Internationale de la mer

Conseil Scientifique ISTE

Présentation

 

Livres et chapitres

2023

Audouze, J., & Maurel, M.-C. (2023). Du cosmos à la vie. Préface Erik Orsenna. L’Archipel, 240 p. ISBN 978-2-8098-4836-6

2021

Grandcolas, P., & Maurel, M. C. (2021). Systématique et exploration du vivant. Collection biologie. ISTE Editions, 230 p. ISBN 978-1-78405-731-2

Gaudin, T., Maurel, M.-C., & Pomerol, J.-C. (2021). Le hasard, le calcul et le vie. Colloque de Cerisy. ISTE Editions, 264 p. ISBN 978-1-78405-724-4

 

2020

Chapouthier, G., & Maurel, M.-C. (2020). L’explosion des formes de vie - êtres vivants et morphologie. ISTE Publishing-Wiley, London, 266 p. ISBN 978-1-78948-005-4

 

2018

Maurel, M. C., & Grandcolas, P. (2018). Biodiversity and Evolution (Ed.ISTE Publishing). London, 284 p. ISBN 978-1-78548-277-9

Maurel, M. C. & Cassé, M. (2018). Xénobiologie, vers d’autres vies (Ed.Odile Jacob). Sciences.

Coppens, Y., Ackerman, A., Bellagamba, U., Braga, J., Cohen, C., Genefort, L., Heyer, E., Lehoucq, R., Le Quellec, J. L., Maurel, M. C., Patou-Mathis, M., Senut, B., Steyer, J. B., Teyssandier, N., & Zeitoun, V. (2018).

Variations sur l’histoire de l’humanité préface Yves Coppens (Ed.La ville brûle). Infinie, Paris, 288 p.

2017

Maurel, M. C., & Pomerol, J. C. (Éd.). (2017). Sciences de la Vie et Sciences de l’Information (Ed. ISTE Editions). ISTE Editions, London.

Maurel, M. C. (2017). Les origines de la vie. In L’océan à découvert (Ed.CNRS  p. 56‑57). CNRS Editions.

Maurel, M. C. (2017). Reflections on Origins, Life and the Origins of Life ». In A. Losch (Éd.), What is life ? (Cambridge University Press, p. 13‑29). Cambridge.

Maurel, M. C. (2017). Les origines de la vie (Poche-Le Pommier). Le Pommier, Paris, 336 p. ISBN 978-2-7465-1181-1

2015

Maurel, M. C., Grandcolas, P., & Institut de Systématique, É., Biodiversité (Paris) (Éd.). (2015). Origins: studies in biological and cultural evolution : workshops « Origins », Institut de systématique, évolution, biodiversité : Muséum national d’histoire naturelle, Paris, October 24, 2014 (EDP Sciences). ISBN 978-2-7598-1824-2
Maurel, M. C. (2015). Quels sont les éléments indispensables à la vie ? In N. Latruffe (Éd.), Texbook Biochimie (Ed.dunot).
Maurel, M. C. (2015). Origine et développement de la vie sur Terre : rôle de l’eau. In L’eau à découvert, (CNRS Editions, p. 24‑25). CNRS Editions, Paris.
 

2014

Maurel, M. C. (2014). From ancient to modern RNA worlds and vice versa : looking through viroid and ribozyme motifs. The Alternative Genetic system (AGS) and the pre-RNA world. In G. Trueba (Éd.), Why does evolution matters ? The importance of understanding evolution (Cambridge Scholars Publishing, Newcastle Upon Tyne., p. 119‑133). Cambridge Scholars Publishing, Newcastle Upon Tyne.

Maurel, M. C. (2014). D’ ou vient la vie - Par quelle étincelle est-on passé de l’inerte au vivant ? (Ed.Le Pommier). Les Grandes Petites Pommes du savoir, Paris, 128 p. ISBN 978-2-7465-0864-4

2013

Forterre, P., D’Hentrecourt, L., Malaterre, L., & Maurel, M. C. (Éd.). (2013). De l’inerte au vivant. enquête scientifique et philosophique (Ed.La Ville brûle). dirigée par Sylvestre Huet, 223 p.

2010

Maurel, M. C. (2010). D’où vient la vie ? (Ed.Le Pommier). Les petites Pommes du Savoir, Paris.

2009

Maurel, M. C. (2009). Origines de la vie et sexualité. In P. H. Gouyon (Éd.), Aux origines de la sexualité (Fayard, p. 16‑27). Paris.
Maurel, M. C., & Gerin, M. (2009). Origins of life : Self-Organization and/or Biological Evolution ? Workshop, October 3, 2008 (EDP Sciences). Workshop. Consulté à l’adresse https://www.origins-and-evolution.org/
Maurel, M. C. (2009). Les origines en question (Le Pommier). Les petites pommes (10e anniversaire).
 

2007

Gribaldo, S., Maurel, M. C., & Vannier, J. (2007). L’évolution.  Les débuts de la vie (Ed.Le Pommier, Le collège de la cité).

2003

Maurel M.C. La naissance de la vie, de l'évolution prébiotique à l'évolution biologique (Ed.Dunod)

2002

Maurel, M. C. (2002). Functional capabilities of bio-molecules and the beginnings of life. RNA selectivity and adaptability. In in Geochemistry and the origin of life (Ed.Universal Academy Press, Inc., Vol. 11, p. 107‑118).

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Thèmes de recherche

Origines de la vie. Fragments et briques élémentaires du vivant - Archéobiologie Moléculaire et structurale. Hérédités.

Contexte

De nombreux arguments théoriques et expérimentaux ont conduit à l’hypothèse selon laquelle, au cours de l’évolution, l’ARN aurait précédé l’ADN : c’est l’hypothèse du Monde ARN. Le vivant reposerait sur un plan fondamental bâti autour de l’ARN, à la fois génotype et phénotype, capable de favoriser la formation, la réplication et la catalyse en guidant les premiers pas du métabolisme des toutes premières cellules vivantes.

Dans ce contexte, mes travaux de recherche portent à la fois sur les propriétés informationnelles et catalytiques des acides ribonucléiques, sur les synthèses de motifs structuraux et fonctionnels, ainsi que sur les interactions ARN - cellules, ARN - liposomes et peptides - liposomes dans le but de comprendre les processus de cellularisation. Les motifs ribozymiques que nous étudions ont été trouvés sur des ARNs satellites de virus et sur des viroïdes, les plus petits agents pathogènes des plantes. Les mutants découverts au laboratoire nous permettent de proposer que les ribozymes trouvés dans les viroïdes et ARNs satellites soient des fossiles moléculaires des premières formes de vie.

Résumé des travaux antérieurs

Au delà des 4 bases canoniques, plus de 100 nucléosides modifiés ont été répertoriés sur les ARN de transfert et sur les ARN ribosomaux. Plusieurs auteurs proposent que ces nucléosides modifiés soient les reliques d’un ancien Monde ARN plus diversifié et hétérogène que le monde contemporain. L’ancêtre des acides nucléiques (IDA : Initial Darwinian Ancestor) ne présentait probablement pas une structure uniforme et résultait peut-être d’une co-polymérisation de différentes familles.

Dans ce contexte, nous avons montré qu’un nucléoside modifié, le N6-ribosyl-adénine, synthétisé au laboratoire dans des conditions prébiotiques, est aussi actif que l’histidine dans la réaction modèle d’hydrolyse du p-nitrophénylacétate (Maurel et Ninio, 1987 ; Maurel et Convert, 1990 ; Maurel, 1991). De nombreux travaux révèlent que des dérivés N6 ou N3-ribosyl-purine ont pu être des maillons essentiels entre le monde des protéines et le monde de l’ARN (Maurel, 1992). Nous avons par la suite montré que des analogues d’acides nucléiques, tels que les poly(allylamines) greffées par des adénines-N6-substituées, présentent une activité catalytique fortement accélérée dans l’hydrolyse des PNPesters (Maurel et Décout, 1992, 1995 ; Décout et Maurel, 1993, 1995). L’étude théorique et expérimentale du comportement des catalyseurs montre que la coopérativité cinétique a pu apparaître très tôt dans l’évolution et jouer un rôle dans la régulation des premiers évènements métaboliques (Ricard et al, 1996 ; Maurel et Ricard, 2006).

Les capacités catalytiques des ribozymes semblaient, dans un premier temps, limitées, mais une meilleure compréhension de leur fonctionnement et la mise au point de la méthode SELEX (Systematic Evolution of Ligand by EXponential enrichment) ont permis d’élargir considérablement le répertoire des réactions catalysées par l’ARN. La méthode SELEX, que nous avons développée au laboratoire, nous a permis de sélectionner des aptamères ARN pour l’adénine dans le but de trouver des catalyseurs utilisant l’adénine ou son dérivé nucléosidique comme cofacteur. Ces ARN, caractérisés par « fingerprint », possèdent en commun 8 nucléotides invariants qui interviennent dans la liaison avec l’adénine (Meli et al, 2002). Ces travaux nous ont conduit à la découverte de deux nouveaux variants du ribozyme en hairpin, porté par l’ARN satellite sTRSV (Tobacco Ringspot satellite Virus). Par sélection in vitro, nous avons isolé deux ARNs strictement dépendants de l’adénine ajoutée comme cofacteur. Ces co-ribozymes - ADHR1 et ADHR2- (Adenine Dependent Hairpin Ribozyme 1 et 2), sont capables de catalyser leur auto-coupure et la réaction inverse (ligation). Il s’agit d’un résultat majeur qui donne lieu aujourd’hui à de très riches applications (Meli et al, 2003).

Mécanisme catalytique du sTRSV (ribozyme sauvage) et des mutants ADHR1 et ADHR2

Dans le contexte du monde ARN, l’étude de l’activité catalytique d’un ribozyme sous pression permet d’étudier le comportement de cette molécule dans des conditions extrêmes. De nombreux organismes sont aujourd’hui confrontés à de telles conditions, mais les mécanismes et les comportements des macromolécules sont encore mal compris. Une meilleure connaissance des effets des très hautes pressions sur l’activité des ribozymes permettent d’appréhender le monde ARN de façon plus précise et de mieux en définir les limites et les caractéristiques. Nos résultats sur le ribozyme sauvage et sur les mutants ADHR1 et ADHR2 confirment les hypothèses émises à partir des clichés de cristallographie et mettent en évidence le repliement de la molécule. Ils donnent de plus des informations précises sur l’amplitude de ce repliement (Tobé et al, 2005 ; Hervé et al, 2006, Buck et al, 2009 ; Ztouti et al, 2009).

Sélection in vitro d’ARNs résistant à haute température

Les ARNs de transfert résistent à 90°C en présence de NaCl 2M, conservent leur intégrité physique et sont capables d’aminoacylation après traitement à haute température (Tehei et al, 2002). A la suite de cette première observation, nous avons sélectionné, des ARNs résistant 65h à 80°C en présence de sels. Les clones obtenus regroupés en deux familles (Famille I et Famille II) possèdent chacune des caractéristiques physico-chimiques propres ainsi que des structures secondaires différentes. Ainsi les ARNs de la Famille I présentent une structure secondaire comparable à celle de nombreux viroïdes. Ces deux familles reflètent deux voies possibles conduisant à la thermo-résistance. Les comportements moléculaires ainsi mis en évidence nous permettent de définir les limites de survie dans les conditions primitives (et/ou extrêmes), et démontrent que ce qui est en jeu pour les molécules d’ARN, comme pour les organismes, au cours de l’évolution, est la capacité reproductive (Vergne et al, 2006). Enfin, nous avons caractérisé le comportement d’un ribozyme ASBVd à haute température dans des conditions proches de l’hydrothermalisme (El Murr et al, 2012).

Applications thérapeutiques

La découverte des ARNs catalytiques a permis la conception d’ARNs thérapeutiques capables de réaliser des réactions de trans-clivages. Ce type de ribozyme fixe les substrats par appariement des bases, coupe l’ARN cible, puis relâche les produits de clivage. Dans le but d’inhiber l’expression de deux produits du gène Tpl2/cot, Proto-Cot et Cot, surexprimés dans 40% des tumeurs du sein, Yanli Li, qui a effectué sa thèse au laboratoire, a inséré dans des hairpin ribozymes la séquence de 22 nucléotides provenant du gène Tpl2/cot. Nous avons montré et caractérisé ces nouveaux ribozymes capables de couper en cis et en trans le fragment du gène inséré (Li et al, 2007, 2008, 2009).

Aptamères dirigés contre des marqueurs de cellules fœtales
Au cours de la gestation, l’organisme maternel, le fœtus et le placenta sont soumis à de multiples interactions réciproques (Maurel et Kanellopoulos, 2008). L’existence d’échanges cellulaires entre la mère et le fœtus est maintenant bien connue et la recherche de cellules fœtales mâles ou des antigènes HLA spécifiques du fœtus sont les deux stratégies utilisées dans la détection de ce trafic cellulaire. Les PCR et RT-PCR sur des séquences ou des gènes spécifiques du fœtus ou de la mère –sur des modèles murins- ont permis de repérer ces évènements comme étant fréquents. Cependant seul le développement de techniques permettant d’atteindre des seuils de sensibilité de détection extrêmement résolutifs permettra d’envisager des diagnostics prénataux non invasifs afin de déceler d’éventuelles déficiences ou incompatibilités immunologiques. L’objectif de notre travail, en collaboration avec le laboratoire de Colette Kanellopoulos consiste à sélectionner des cellules fœtales grâce à des aptamères identifiés contre des marqueurs spécifiques de ces cellules. De tels aptamères pourront d’une part permettre la purification par affinité des cellules foetales et après pontage, la caractérisation des protéines reconnues par les aptamères.

Processus de cellularisation

Les travaux de recherche dans le domaine des origines de la vie cellulaire passent par la compréhension des phénomènes d’auto-assemblage de structures membranaires à partir de molécules amphiphiles. Nous développons des modèles expérimentaux de systèmes cellulaires simples dans lesquels des macromolécules sont encapsulées dans une bicouche lipidique. Des préparations standards de liposomes sont capables de capturer des acides nucléiques et des peptides, et la double couche perméable aux solutés ioniques et polaires permet les réactions de polymérisation dans le volume encapsulé. Nous avons combiné les méthodes d’encapsulation mises au point dans le laboratoire de D. Deamer avec les synthèses peptidiques développées dans mon laboratoire (Maurel et Orgel, 2000). Ceci représente une étape importante vers l’étude d’un système modèle mimant les premières formes de vie (Zepik et al, 2007). Nous utilisons, d’autre part, la spectrométrie Raman exaltée de surface (SERS) pour caractériser un modèle de protocellules ARN / lipides. L’ARN choisi est le ribozyme sauvage sTRSV (Tobé et al, 2005). Nous avons dans un premier temps établi une méthode de détection d’acides nucléiques par spectrométrie Raman exaltée de surface (SERS) [Elamri et al, 2003, 2004, 2005] permettant de détecter des nanomoles d’oligonucléotides en sondant sélectivement les résidus adényls constitutifs. Cette méthode a pu être utilisée pour étudier les cinétiques d’auto-clivage de sub-nanomoles de ribozyme en solution (Percot et al, 2009).
Etudes fonctionnelles, structurales et dynamique-fonction de ribozymes et de viroïdes ASBVd. (Hautes pressions, diffusion des neutrons.)

Nous avons montré les capacités réplicatives d’un viroïde ASBVd dans un hôte non spécifique (Delan-Forino et al, 2011). L’étude d’un ribozyme « hammerhead » sous haute pression a montré la plasticité et la dépendance conformationnelle de ces ARNs vis à vis des ions divalents (Kaddour et al, 2011). L’activité, l’auto-association et la structure des ribozymes ADHR1 et ADHR2 ont été étudiées par centrifugation analytique et par diffusion des neutrons. Des interactions tige-tige, boucle-boucle et boucle-tige jouent un rôle majeur dans la régulation de l’activité des deux ribozymes (Li et al, 2008). Par RMN, nous suivons les changements conformationels des états pré et post catalytiques d’ADHR1. L’interaction de l’ARN avec l’adénine est transitoire, la dynamique induite constitue l’étape limitante de la catalyse (Buck et al, 2009).

A l’interface de la Biologie, de la Physique et de la Chimie, je développe des travaux sur la structure, les fonctions et les interactions des acides nucléiques. Cette démarche est riche d’intérêt et de promesses. Dans un premier type d’approche, bien ancré dans la physique, on cherche à comprendre les lois qui régissent les interactions dans les systèmes biologiques par l’étude expérimentale de systèmes modèles et par la modélisation basée sur les concepts principalement développés en physique de la matière molle. La deuxième approche est basée sur le concept de relation structure-fonction en biologie : plutôt que de chercher les lois générales, on cherche à comprendre la spécificité, c’est à dire les différences de structure sélectionnée par l’évolution, cela par des études expérimentales physiques, basées sur des méthodes variées, spectroscopies, diffraction, microscopies etc.

Enfin, je m’intéresse à la relation dynamique-fonction. L’activité d’un système biologique au niveau moléculaire ne dépend pas uniquement de son organisation structurale mais aussi des mouvements qui l’animent. Pour certaines activités, comme la catalyse, une flexibilité accrue se révèle nécessaire. Pour d’autres, comme le transfert d’électrons, c’est au contraire, une plus grande rigidité qui est essentielle. Pour explorer la relation dynamique-fonction, des approches originales sont mises en œuvre : une constante de force effective (la résilience), paramètre mesurable par diffusion de neutrons, est fortement corrélée avec la fonction biologique de systèmes. Cette méthode validée avec succès sur des protéines d’Archaea halophiles révèle que l’adaptation à la température résulte de force qui stabilisent les structures macromoléculaires et déterminent leur flexibilité dans une gamme de valeurs spécifiques. En collaboration avec G. Zaccai à l’ILL Grenoble et Ada Yonath du Dept. of Structural Biology, Weizmann Institute Rehovot, Israel, nous réalisons des mesures de dynamique sur un ribozyme, un viroïde isolé et sur le « protoribosome » en différentes conditions de solvant et de température. Le développement et l’application de ce type d’approche méthodologique par spectrométrie, permettant de quantifier les mouvements fonctionnels intramoléculaires, représente un défi important ouvrant un nouveau champ de recherche.

Nos premiers résultats suggèrent qu’au cours de l’évolution les ARNs sélectionnés présentaient des dynamiques spécifiques qui ont permis le maintien de structures et de flexibilités dans les limites étroites requises pour l’activité biologique.

Synthèses, Evolution des briques élémentaires, de fragments et de petits ARNs .

Laura da Silva (PhD student) a synthétisé au laboratoire des oligoribonucléotides (petits ARNs), en conditions prébiotiques simulant l’hydrothermalisme de surface (J.Mol.Evol., 2015). En collaboration avec David Deamer (USCC- USA) nous montrons que les sels d’ammonium catalysent la polymérisation de nucléotides standards (sans activateur chimique). (U.S Patent – UC Case N° : SC2013-946 ; PV N°/ 482.36(DJA) et da Silva, L., Maurel, M-C., Deamer, D. J. Mol. Evol., 2015.

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- Selection of invited presentations to peer-reviewed internationally established conferences and/or internation aladvanced schools. All by M.C. Maurel :

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Organisation d'Evenements nationaux et internationaux

  •  Colloque de Cerisy (2019) : "Le hasard, le calcul et la vie". T. Gaudin, D. Lacroix, M-C Maurel, J-Ch Pomerol.

http://www.ccic-cerisy.asso.fr/sciencesTM17.html " Life Sciences, Information Sciences "

Organisators : Jean-Charles Pomerol, Dominique Lacroix, Thierry Gaudin, {{Marie-Christine Maurel}}.
 

  • Co-organisation of the international Symposium on RNA Paris, Jussieu, France

« Looking through the RNA world », 26 February 2010; « Progress in RNA world, Marc, 4, 2011; The future of RNA worlds, february, 24, 2012; «RNAs never stop »,March,1, 2013; «RNAs in the limelight», February, 28, 2014; «What’s New in RNAs»,December,4th, 2015.


«RNAs more an more», December, 2d, 2016. «RNAs everywhere ?», December, 8th, 2017. December, 7th, 2018


« Something about RNA », 27 Mai 2004; « Inside the RNA World », 27 Mai 2005; « RNA Tricks »,12 Mai 2006; « What’s new about RNA ? », 11 Mai 2007; « Insights in the RNA world ? », 11 Avril 2008; « Latest news about RNA », 27 février 2009;

  • Co-organisation of Lectures on concepts in Biology - M-C.Maurel et A-L Haenni . Institut Jacques-Monod (6 conférences/an) « Hypothèses, Théories Concepts en Biologie ». Institut Jacques-Monod. (2005-2009) - M-C. Maurel, J-L. Baumont, Colloque « Les lundis de la connaissance », Nice, juin 2009 - M-C. Maurel et M. Gérin, Colloque ENS : Auto-organisation et/ou evolution biologique, 3 octobre 2008.
  •  Co-organisation Muséum d’Histoire Naturelle-Marseille Colloquium, M-C. Maurel et B. Brun. - Nouveauté et évolution : apparition du nouveau dans l’histoire du vivant, 28 Juin 2001 - L’inné et l’acquis dans l’évolution, 18 June 2002.
  • Co-organisation de Conférences au Centre d’Etudes du Vivant : M-C. Maurel  et P-A Miquel (students could obtain credit for the philosophy DEA from Université Paris I)

De la notion de programme génétique au problème des origines du programme ”. Evelyn Fox-Keller, Henri Atlan, Michel Morange, Miroslav Radman, Paul-Antoine Miquel, Marie-Christine Maurel, etc. (2000-2002 : 6 seminars/yr) ) « Réductionnisme et émergence »). Jean-Claude Dupont, Jean-Jacques Kupiec , Jacques Ricard, Sandra Laugier, Christian de Duve. (2002-2004 : 6 seminars/yr)
Conférences de Graham Cairns-Smith, Elizabeth de Fontenay, Jean-Marc Levy-Leblond, Bernard Andrieu, etc...

 

Publications

2024
  • Percot A., Maurel M.C., Lambert J.F. & Zins E.L., 2024New insights into the Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) response of adenine using chemometrics. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy vol. 314, , p. 124177
    ISSN
    13861425
  • Percot Aline, Mahieddine Farah, Yano Hajime, Hasegawa Sunao, Tabata Makoto, Yamagishi Akihiko, Mita Hajime, Paredes-Arriaga Alejandro, Maurel Marie-Christine, Lambert Jean-François, Baklouti Donia & Zins Emilie-Laure, 2024Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) for Identifying Traces of Adenine in Organic-Bearing Extraterrestrial Dust Analogs Captured in the Tanpopo Aerogel after Hypervelocity Impacts. Gels (Basel, Switzerland) vol. 10, n° 4, p. 249 Publisher: MDPI tex.hal_id: hal-04564525 tex.hal_version: v1
2023
2022
  • Kawamura Kunio, Ogawa Mari, Konagaya Noriko, Maruoka Yoshimi, Lambert Jean-François, Ter-Ovanessian Louis M. P., Vergne Jacques, Hervé Guy & Maurel Marie-Christine, 2022A High-Pressure, High-Temperature Flow Reactor Simulating the Hadean Earth Environment, with Application to the Pressure Dependence of the Cleavage of Avocado Viroid Hammerhead Ribozyme. Life vol. 12, n° 8,
    ISSN
    2075-1729
  • Maurel Marie-Christine, 2022Entre analogies et différences. En(Une)Quête d’Autres dis-semblables…. Arts et sciences vol. 6, Special, Publisher: ISTE OpenScience tex.hal_id: hal-03896281 tex.hal_version: v1
    ISSN
    25158767
  • Kawamura Kunio, Lambert Jean-François, Ter-Ovanessian Louis M. P., Vergne Jacques, Hervé Guy & Maurel Marie-Christine, 2022Life on Minerals: Binding Behaviors of Oligonucleotides on Zirconium Silicate and its Inhibitory Activity for the Self-Cleavage of Hammerhead Ribozyme. The role of minerals in the chemical evolution of RNA molecules is an important issue when considering the early stage of the… Life vol. 12, n° 11, p. 1689
    ISSN
    2075-1729
  • Ter-Ovanessian Louis M. P., Lambert Jean-François & Maurel Marie-Christine, 2022Building the uracil skeleton in primitive ponds at the origins of life: carbamoylation of aspartic acid. Abstract A large set of nucleobases and amino acids is found in meteorites, implying that several chemical reservoirs are… Scientific Reports vol. 12, n° 1, p. 19178
    ISSN
    2045-2322