Des scientifiques observent un microbe étrange qui pourrait aider à expliquer la montée d'une vie complexe

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On trouve souvent des archées dans des environnements extrêmes, comme ces cheminées situées au sommet du volcan sous-marin de Giggenbach, au large de la Nouvelle-Zélande.Crédit: Exploration 2005 de l'anneau de feu sous-marin américain entre la Nouvelle-Zélande et le programme NOAA Vents

Pour la première fois, les biologistes ont capturé et développé un type de microbe insaisissable semblable à ceux qui auraient pu donner naissance à toute la vie complexe sur Terre.

Au Japon, dans une pré-impression publiée dans le référentiel bioRxiv, des scientifiques ont signalé qu'ils avaient isolé et cultivé des microbes appartenant à une lignée ancienne d'archaea – des microbes unicellulaires ressemblant superficiellement à des bactéries mais bien distincts – qui n'étaient auparavant connus que de génomique. des séquences.

Les chercheurs ont mis 12 ans à cultiver des cultures de laboratoire pures de ces microbes à partir de boue marine. Cet effort permet aux scientifiques de se familiariser avec le type d’organismes qui auraient pu passer de simples cellules ressemblant à des bactéries à des eucaryotes – le groupe d’organismes dont les cellules ont des noyaux et d’autres structures, et qui comprend des plantes, des champignons et des humains. d'autres animaux.

«C’est un document monumental qui reflète une énorme quantité de travail et de persévérance», déclare Thijs Ettema, microbiologiste en évolution de l’Université Uppsala en Suède. "C’est un grand pas en avant dans la compréhension de cette importante lignée."

Origines boueuses

Le groupe mystérieux, appelé Lokiarchaea, a pris sa place dans la tourbière microbienne qui a été draguée non loin du château de Loki, un champ de sources hydrothermales situé au fond de la mer, au large des côtes du Groenland. En 2015, Ettema et ses collègues ont séquencé des fragments génétiques provenant d'un méli-mélo de microbes dans les sédiments et les ont assemblés pour former des génomes plus complets d'espèces individuelles., une méthode appelée métagénomique.

Un génome s'est démarqué. C'était clairement un membre de l'archéa. Mais tout au long de ce génome, il y avait des gènes ressemblant à des eucaryotes, suggérant à Ettema que cet étrange ballon pourrait aider à combler le fossé évolutif entre microbes plus simples et eucaryotes. Les chercheurs l'ont appelé Lokiarchaea, du nom de Loki, le filou de la mythologie nordique.

Bientôt, d'autres laboratoires ont trouvé d'autres archaea-like Loki, et ensemble, ils ont formé l'archaea Asgard, du nom d'une région mythologique habitée par des dieux nordiques. Bien que la place précise de l’organisme dans l’arbre de la vie reste controversée, de nombreuses analyses associent Asgards et eucaryotes, ce qui pourrait signifier qu’un lointain ancêtre ressemblant à Asgard a donné naissance à tous les eucaryotes – des pandas aux champignons portabello.

Deux deviennent un

Les partisans de ce point de vue pensent qu’il ya 2 milliards d’années, un archéon ressemblant à Asgard a englouti une bactérie. Au lieu de fournir un repas, l'ingestion a suscité une relation mutuellement bénéfique, un phénomène connu sous le nom d'endosymbiose. Finalement, selon cette hypothèse, la bactérie a évolué pour devenir une mitochondrie, l'organelle «centrale» de la cellule qui a contribué à alimenter la montée des eucaryotes. Une fusion similaire aurait pu conduire aux premières cellules nucléées.

Tous les chercheurs ne sont pas d’accord pour dire que Asgard a fait ce saut. Certains ont fait valoir que les gènes ressemblant à des eucaryotes qui rendent Asgers spécial ne sont que la contamination par d'autres microbes des sédiments. Et sans un organisme réel à étudier en laboratoire, il était difficile de savoir ce que les gènes ressemblant à des eucaryotes faisaient réellement, ou de commencer à comprendre comment l'endosymbiose aurait pu progresser. "Nous avons beaucoup appris du génome, mais sans culture de laboratoire, nous ne pouvons en apprendre autant", explique Ettema.

Comme les Asgard viennent de milieux extrêmes et que leur taux de croissance est très lent, personne n’avait auparavant réussi à les cultiver en laboratoire. «Tout le monde attend ce moment depuis longtemps», déclare Simonetta Gribaldo, microbiologiste de l'évolution à l'Institut Pasteur de Paris.

Douze ans de travail

Bien des années avant que quiconque connaisse l'existence d'Asgard, Hiroyuki Imachi, microbiologiste à l'Agence japonaise pour la science et la technologie de la Terre et de la Terre à Yokosuka, et ses collaborateurs ont entamé le travail laborieux qui allait éventuellement mener Asgard au laboratoire.

Pour cultiver les microbes à partir de sédiments d'eaux profondes, Imachi et ses collègues ont construit un bioréacteur imitant les conditions d'un évent de méthane en eau profonde. Pendant 5 ans, les chercheurs ont attendu que les microbes à croissance lente présents dans le réacteur se multiplient.

Ils ont ensuite prélevé des échantillons dans le réacteur et les ont placés, avec les éléments nutritifs, dans des tubes en verre, qui ont été laissés en place pendant un an avant de montrer des signes de vie. Les analyses génétiques ont révélé une population de Lokiarchaea à peine perceptible. Les chercheurs ont patiemment persuadé le Lokiarchaea – qui a mis 2 à 3 semaines pour subir une division cellulaire – en plus grande abondance et a purifié les échantillons. «C’est l’un des organismes à la division la plus lente que je connaisse», déclare Ettema.

Enfin, après 12 ans de travail, les chercheurs ont mis au point une culture de laboratoire stable contenant uniquement ce nouveau Lokiarchaeon et un autre archéon producteur de méthane. Ensemble, les deux microbes ont formé une relation symbiotique (des colonies similaires de bactéries et d’archées ont déjà été observées). Les scientifiques ont nommé le Lokiarchaeon cultivé Prometheoarchaeum syntrophicum.

«C’est un effort énorme», déclare Gribaldo. «Et c’est une très belle histoire, car ils ont commencé avant même que la frénésie Asgard ne commence. À mi-parcours de leur expérience, ils doivent avoir compris qu’ils avaient de l’or entre leurs mains ».

«Un organisme de l’espace»

Au microscope, cet or se présentait sous la forme de cellules rondes de moins d'un micromètre de large. Comme d’autres archées et bactéries, leur intérieur est relativement simple, mais leur surface externe peut produire des saillies en forme de feu follet qui s’étendent à partir de leur corps. "Je ne pense pas que quiconque ait prédit que cela ressemblerait à ceci", dit Ettema. "C’est une sorte d’organisme de l’espace."

Les chercheurs rapportent que le Lokiarchaeon cultivé produit de l'énergie en décomposant les acides aminés et qu'il peut échanger des molécules utilisées pour transporter de l'énergie avec des partenaires symbiotiques. Ettema dit que les génomes d'Asgard ont fait allusion à ces capacités, mais sans culture de laboratoire, ils n'ont pas été confirmés.

Enfin, comme les chercheurs pourraient extraire et séquencer l'ADN d'un échantillon pur plutôt que d'un sédiment contenant une multitude d'organismes, leurs résultats confirmeraient que Lokiarchaea contient en réalité de nombreux gènes ressemblant à des eucaryotes. «Cela dissipe toute inquiétude quant à la contamination», déclare Gribaldo.

Ettema dit que cette recherche ouvre la porte à la prochaine étape de la recherche sur Asgard, bien qu'il insiste sur le fait que beaucoup plus d'Asards devront être cultivés pour que les chercheurs puissent déterminer si et comment les archaées de type Asgard ont donné naissance à des eucaryotes.

«Nous ne pouvons pas simplement remonter dans le temps et observer ce qui s’est passé», déclare Ettema. Les Asgards que nous voyons aujourd'hui ne sont pas les mêmes que le microbe qui a donné naissance aux eucaryotes. Mais il dit que cultiver plus d'Asgard et étudier ce que leurs gènes ressemblent à des eucaryotes donnera une image plus complète de l'arbre évolutif et aidera les chercheurs à mieux comprendre comment des organismes simples unicellulaires ont fait le premier saut géant vers la complexité.

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