Les microbes du filou qui secouent l'arbre de la vie

Chaque mythologie a besoin d'un bon escroc, et il y en a peu de meilleurs que le dieu nordique Loki. Il attise les ennuis et insulte les autres dieux. Il est insaisissable, anarchique et ambigu. En d’autres termes, il est l’identité parfaite pour un groupe de microbes – le Lokiarchaeota – qui réécrit une histoire fondamentale sur les premières racines de la vie.

Ces microbes indisciplinés appartiennent à une catégorie d'organismes unicellulaires appelée archaea, qui ressemblent à des bactéries au microscope mais qui leur sont aussi distinctes à certains égards que l'être humain. Les Lokis, comme on les appelle parfois, ont été découverts en séquençant l'ADN de boue de fond marin recueillie près du Groenland.. Avec quelques microbes apparentés, ils incitent les biologistes à reconsidérer l’un des plus grands événements de l’histoire de la vie sur Terre: l’apparition des eucaryotes, le groupe d’organismes comprenant tous les végétaux, animaux, champignons et autres.

La découverte des archées à la fin des années 1970 a amené les scientifiques à proposer que l’arbre de la vie se divise depuis longtemps en trois troncs principaux, ou «domaines». Un tronc a donné naissance à des bactéries modernes; un à archée. Et le troisième produit des eucaryotes. Mais des débats ont rapidement éclaté sur la structure de ces malles. Selon un modèle de «trois domaines», les archées et les eucaryotes divergeaient d’un ancêtre commun. Mais un scénario à deux domaines a suggéré que les eucaryotes divergeaient directement d'un sous-groupe d'archaea.

Les arguments, bien que parfois enflammés, ont fini par stagner, explique le microbiologiste Phil Hugenholtz de l'Université du Queensland à Brisbane, en Australie. Ensuite, les Lokis et leurs proches sont entrés comme une "bouffée d’air frais", a-t-il déclaré, et ont relancé le dossier d’un arbre à deux domaines.

Ces archées nouvellement découvertes possèdent des gènes considérés comme caractéristiques des eucaryotes. Et une analyse en profondeur de l’ADN de l’organisme suggère que les eucaryotes modernes appartiennent au même groupe d’archéens. Si tel est le cas, pratiquement toute la vie complexe – des algues vertes aux baleines bleues – provenait à l’origine d’Archaea.

Mais beaucoup de scientifiques ne sont pas convaincus. La construction d’arbres évolutifs est un travail complexe et controversé. Et personne n'a encore publié de preuves montrant que ces organismes peuvent être cultivés en laboratoire, ce qui les rend difficiles à étudier. Le débat est toujours rancunier. Les partisans des deux camps sont «très hostiles les uns aux autres et 100% pensent qu’il n’ya rien de correct dans l’autre camp», déclare Hugenholtz. Certains refusent d'exprimer une opinion, de peur d'offenser leurs collègues les plus anciens.

L’enjeu est une compréhension plus profonde du saut biologique qui a produit les eucaryotes: «La chose la plus importante qui soit arrivée depuis l’origine de la vie», selon le biologiste de l’évolution Patrick Keeling de l’University of British Columbia à Vancouver, Canada. D'où ils viennent «est l'une des questions les plus fondamentales pour comprendre la nature de la complexité biologique», dit-il. Pour répondre à cette question, «nous devons déterminer qui est lié à qui».

Deux devient trois

Pour les scientifiques il y a un demi-siècle, la vie sur Terre était divisée en deux catégories: les eucaryotes, les êtres vivants dont les cellules contiennent des structures internes enveloppées d'une membrane, comme un noyau; et les procaryotes, organismes unicellulaires qui manquent généralement de membranes internes. Les bactéries étaient les seuls procaryotes que les biologistes connaissaient. Puis, en 1977, le biologiste de l'évolution Carl Woese et ses collègues ont décrit l'archéa comme une troisième forme de vie distincte – une forme de vie qui remonte à des milliards d'années.. La vie, a dit Woese, devrait être divisée en trois catégories plutôt que deux.

Il n'était pas sans ses détracteurs. Dans les années 1980, le biologiste de l'évolution, James Lake, de l'Université de Californie à Los Angeles, a proposé que les eucaryotes soient des sœurs de l'archaea qu'il a appelée les éocytes, ce qui signifie cellules de l'aube.^,. L'idée a évolué dans le scénario à deux domaines.

Lake et Woese se sont battus avec acharnement pour leurs modèles concurrents, aboutissant à un match de cri légendaire au milieu des années 1980. Par la suite, Woese "ne voulait pas rencontrer Jim Lake", explique le microbiologiste Patrick Forterre à l'Institut Pasteur à Paris. Lake ne conteste pas l'acrimonie. «C’était vraiment un débat et il y avait énormément de politique», dit-il. .

Aujourd'hui, la discussion sur l'origine des eucaryotes a mûri. Nombre de personnes des deux côtés s'accordent pour dire que l'origine des eucaryotes impliquait probablement une étape appelée endosymbiose. Cette théorie, défendue par la, soutient qu'une simple cellule hôte, vivante il y a des siècles, a en quelque sorte avalé une bactérie, et les deux ont noué une relation mutuellement bénéfique. Ces bactéries captives ont fini par évoluer en mitochondries – les sous-structures cellulaires qui produisent de l'énergie – et les cellules hybrides sont devenues ce que l'on appelle maintenant les eucaryotes.

La nature de la cellule engloutissante est le lieu où les deux camps divergent. Comme le disent les adhérents des trois domaines, l’engulfer était un microbe ancestral, maintenant éteint. Selon Forterre, il s'agissait d'un «proto-eucaryote» – «ni un archéon moderne ni un eucaryote moderne». Dans ce modèle, il y avait plusieurs scissions majeures au début de l'évolution. La première s'est produite il y a des milliards d'années, lorsque des organismes primitifs ont donné naissance à la fois à une bactérie et à un groupe de microbes éteint. Ce dernier groupe a divergé dans Archaea et le groupe qui est devenu eucaryotes.

Dans le monde à deux domaines, cependant, un organisme primitif a donné naissance à des bactéries et à des archées. Et l'organisme qui a finalement avalé la bactérie fatidique était un archéon. Cela ferait de tous les eucaryotes une sorte de branche des archées qui surpasse – ou, comme certains scientifiques l’appellent, un «domaine secondaire» (voir «Domaines en débat»).

Messages brouillés

Sans machine à remonter les microbes, trier ces hypo-thèses est extrêmement difficile. Les archives fossiles des premiers eucaryotes sont rares et les exemples peuvent être impénétrables. Les scientifiques doivent plutôt s’appuyer sur les documents inscrits dans les génomes des organismes modernes, eux-mêmes brouillés par le passage du temps. "Nous essayons de résoudre quelque chose qui s'est passé il y a probablement quelques milliards d'années, en utilisant des données de séquence modernes", déclare le biologiste de l'évolution des ordinateurs, Tom Williams, de l'Université de Bristol, au Royaume-Uni. Ce n'est pas une tâche facile.

Les technologies actuelles de séquençage des gènes ont fait avancer le débat. Jusqu'à récemment, les scientifiques qui cherchaient à identifier les bactéries ou les archées dans un habitat particulier devaient faire pousser les organismes en laboratoire. Les chercheurs peuvent désormais évaluer la diversité microbienne dans un échantillon d’eau ou de sol en capturant l’ADN et en l’analysant à l’aide d’outils mathématiques, une technique appelée méta-génomique. En 2002, les scientifiques connaissaient deux catégories (ou phyla) d’archaea. Aujourd'hui, grâce à la métagénomique, le nombre de groupements a explosé.

Les scientifiques de l'évolution ont rapidement profité de la richesse croissante. En utilisant les dernières techniques de modélisation puissantes, ils ont créé une forêt d'arbres évolutifs détaillant les relations familiales entre les archées. Les résultats, dans de nombreux cas, placent les eucaryotes dans les rangs des archés.

«À notre avis, le poids de la preuve s'est réellement déplacé vers un arbre à deux domaines, l'èocyte», déclare Williams. Mais pour certains, le débat était encore bref sur les données.

Puis, en 2015, un groupe dirigé par Thijs Ettema, un microbiologiste de l'évolution de l'Université d'Uppsala en Suède à l'époque, a publié des séquences d'ADN de Lokiarchaeota, trouvées dans des sédiments dragués cinq ans plus tôt.. En deux ans, l’équipe d’Etema et d’autres chercheurs avaient annoncé la découverte de trois nouveaux phylums archaïens liés au Lokis.^,. L'ensemble des nouveaux phylums a été nommé Asgard d'après le royaume des dieux nordiques.

Les archées Asgard sont de petite taille, mais elles se sont révélées puissantes. Ils ont relancé le débat sur le nombre réel de domaines de la vie. Et ils fournissent des indications alléchantes sur la nature des cellules qui ont donné naissance aux premiers eucaryotes – du moins aux partisans de deux domaines.

Comme leur homonyme, Lokiarchaeota et leurs parents échappent à la description facile. Ils sont incontestablement des archées, mais leurs génomes comprennent un ensemble de gènes similaires à certains gènes trouvés chez les eucaryotes. Loki DNA, par exemple, contient des instructions génétiques pour les actines, des protéines qui forment un cadre semblable au squelette dans les cellules eucaryotes. Les gènes semblaient si déplacés que le chercheur qui les avait repérés s’inquiétait au départ de la contamination. «J’ai dit: Hmm, comment est-ce possible? Est-il possible qu'il s'agisse vraiment d'un génome archaé? ”, Se souvient Anja Spang, microbiologiste de l'évolution, de l'Institut royal néerlandais de recherche sur la mer à Texel.

La modélisation évolutive a renforcé le lien étroit entre les archées d'Asgard et les eucaryotes. Les arbres construits par l’équipe d’Ettema placent tous les eucaryotes dans le groupe Asgard.^,.

Aujourd'hui, de nombreux chercheurs utilisent les données de ces archées pour formuler une meilleure image du précurseur eucaryote. Il avait peut-être déjà eu certaines caractéristiques typiques des eucaryotes avant de prendre le prédécesseur mitochondrial. «Il y avait probablement des processus de biologie membranaire très primitifs en cours», déclare Ettema.

Selon une analyse publiée cette année, l'ancêtre des Asgard Archaea s'est probablement nourri de molécules à base de carbone, telles que les acides gras et le butane. Ce régime aurait généré des sous-produits qui pourraient nourrir les bactéries partenaires. De tels accords de partage des aliments – communs aux microbes – auraient pu évoluer vers une relation plus intime. Un archéon pourrait s'être blotti à côté de son partenaire bactérien pour faciliter les échanges d'éléments nutritifs, menant finalement à l'étreinte ultime.

Cependant, de tels scénarios suscitent encore des doutes. Le principal parmi ceux qui ne sont pas convaincus est Forterre. Après avoir examiné le journal Asgard, il a publié, avec ses collègues, une réfutation exhaustive du travail.

Des marqueurs trompeurs?

Dans une accusation qui exaspère Ettema, Forterre et son groupe ont suggéré que certaines séquences de type eucaryote trouvées dans les Lokis étaient le résultat d’une contamination. Une protéine de Loki appelée facteur d’élongation 2, par exemple, était «probablement contaminée par des séquences eucaryotes», a écrit l’équipe de Forterre dans sa critique. Forterre dit maintenant qu’il est incertain à propos de ce point.

Mais lui et ses collègues continuent à critiquer les arbres évolutifs Asgard. Même les maîtres bâtisseurs d'arbres reconnaissent qu'il est difficile de comprendre les liens qui unissaient les organismes vivants il y a deux milliards d'années. Les biologistes reconstruisent ces relations en modélisant comment un «marqueur» particulier – généralement une protéine ou un gène – a changé au fil du temps dans les organismes d’intérêt.

Le groupe de Forterre déclare que l’équipe d’Ettema a choisi involontairement des marqueurs trompeurs pour construire son arbre. Forterre et son groupe ont procédé à leur propre analyse arborescente en utilisant deux grandes protéines comme marqueurs car, en raison de leur taille, les grandes protéines sont plus susceptibles d'enregistrer les informations souhaitées. Le résultat était un arbre de trois domaines.

Ettema affirme que les deux balises utilisées par Forterre sont insuffisantes pour suivre les événements survenus il y a si longtemps – une critique à laquelle font écho d'autres scientifiques. Et quand l’équipe d’Etema a tenté de reproduire la découverte de Forterre, même avec les deux protéines utilisées, le résultat était toujours un arbre à deux domaines, dit-il. Ettema n'a pas publié les résultats.

Ettema attribue certaines différences aux antécédents disciplinaires. «Patrick Forterre est un brillant scientifique dans son domaine», dit-il, mais avec les Lokis, «il a un peu dépassé son expertise». Forterre affirme qu'il possède des compétences en phylogénétique et que ses co-auteurs en ont davantage.

Néanmoins, tous les partisans à deux domaines ne renoncent pas aux arbres de Forterre. Williams, par exemple, construit un arbre en utilisant les outils d'analyse les plus récents et intègre de nouvelles variétés d'aracées. Il espère que cet effort l’aidera à comprendre certains des résultats de Forterre.

Norm Pace, de l’Université du Colorado, Boulder, microbiologiste de l’Université du Colorado, a également mis au point certaines des méthodes essentielles pour placer des microbes sur l’arbre de la vie. Pace affirme que sur une très longue période, certains marqueurs subiront des changements difficiles à suivre. Ettema et d'autres utilisent des méthodes statistiques pour rendre compte de ce changement furtif, mais Pace les rejette. «Ettema et ses collègues affirment qu’ils peuvent calculer des changements invisibles. Je prétends que c'est une hypothèse stupide », dit Pace. Mais les méthodes sont largement utilisées. Ettema prend en compte le fait que les scientifiques peuvent utiliser divers tests pour déterminer si de tels changements affectent leurs données.

D'autres scientifiques réservent leur jugement: «Les arbres changent», est un refrain courant. Keeling dit qu'il est «totalement sur la clôture». Et Hugenholtz est d’accord sur le fait que «le jury est absent», bien que les deux scientifiques disent qu’ils pensent que les preuves pour deux domaines se développent.

En attendant que les bruissements d’arbres s’installent, les chercheurs se tournent vers d’autres sources de données susceptibles de soutenir un arbre à deux domaines. Les bactéries et les eucaryotes ont un ensemble de lipides dans leurs membranes cellulaires, alors que les membranes archaïennes contiennent un ensemble différent. Un mélange des deux a été pensé pour être instable. Cette «fracture lipidique» a été un point sensible pour les partisans des deux domaines, car elle implique que si les eucaryotes venaient d’archaea, ils auraient dû abandonner l’utilisation de lipides archaïens pour produire des versions bactériennes.

Mais la fracture lipidique n’est plus aussi importante. L'année dernière, des chercheurs néerlandais ont réussi à concevoir des bactéries avec des membranes cellulaires contenant à la fois des lipides archaïens et bactériens.. Des scientifiques ont également découvert dans la mer Noire des bactéries possédant des gènes permettant de fabriquer les deux types de lipides.. Selon la microbiologiste Laura Villanueva, de l'Institut royal néerlandais pour la recherche en mer, membre de l'équipe qui a étudié les bactéries de la mer Noire, les microbes auraient pu présenter de telles membranes lors de la transition des archées aux eucaryotes.

Cependant, les analyses des archères Asgard, y compris des Lokis, restent limitées. "Ce que les gens attendent vraiment, c'est l'isolement d'un membre de ces lignées", déclare Simonetta Gribaldo, microbiologiste de l'évolution à l'Institut Pasteur. "Nous devons les attraper, nous devons les cultiver."

Certains ont un métabolisme lent et sont lents à se multiplier – "exactement ce que vous ne voulez pas si vous essayez de cultiver un organisme", dit Ettema. Seuls quelques scientifiques admettent même avoir essayé. La microbiologiste Christa Schleper de l’Université de Vienne, qui tente de cultiver les Asgard, qualifie ce projet de «projet le plus fou pour lequel j’ai demandé de l’argent».

Aussi insaisissable que puissent être les microbes, une équipe a capturé ce qu’il dit être les premières images d’organismes Asgard. Les images d'un type montrent des cellules arrondies, chacune contenant un faisceau d'ADN compacté qui ressemble à la caractéristique qui définit tous les eucaryotes, un noyau. Selon le microbiologiste Rohit Ghai du Centre de biologie de l'Académie tchèque des sciences de České Budějovice, les images sont «intrigantes» mais ne sont pas concluantes. Il est co-auteur du préimpression contenant les images..

L'image globale n'est pas encore claire. Dans les légendes nordiques, Loki sème souvent le chaos – et remet ensuite tout en ordre. Alors que les Lokiarchaeota et leurs proches sortent de l'ombre, des partisans de deux domaines souhaitent qu'ils règlent le débat de longue date sur l'origine d'une vie complexe. Mais cela pourrait prendre un certain temps. «Lorsque nous avons découvert l'archéa Asgard, nous avons pensé que cela convaincrait tout le monde», lance Spang en riant. "Ce n’était pas le cas."