Le « chaînon manquant » – des chercheurs font la lumière sur l’origine de formes de vie complexes

Des chercheurs de l’Université de Vienne et de l’ETH Zurich cultivent un micro-organisme «chaînon manquant».

Qu’est-ce qui a conduit à l’émergence d’organismes complexes sur Terre ? C’est une importante question sans réponse en biologie. Des chercheurs de l’équipe de Christa Schleper à Université de Vienne Et l’équipe de Martin Pilhofer ETH Zurich J’ai fait un pas vers sa résolution. Les scientifiques ont réussi à cultiver une trace particulière et à la caractériser plus précisément à l’aide de méthodes microscopiques.

Ce membre des archées Asgard présente des caractéristiques cellulaires uniques et peut représenter un « chaînon manquant » évolutif vers des formes de vie plus complexes telles que les animaux et les plantes. L’étude vient d’être publiée dans la revue la nature.

Toutes les formes de vie sur Terre sont divisées en trois domaines principaux : les eucaryotes, les bactéries et les archées. Les eucaryotes comprennent des groupes d’animaux, de plantes et de champignons. Leurs cellules sont généralement beaucoup plus grandes et plus complexes à première vue que les cellules des bactéries et des archées. Par exemple, le matériel génétique des eucaryotes est encapsulé dans le noyau cellulaire, et les cellules contiennent également un grand nombre d’autres parties. La forme et le transport des cellules au sein de la cellule eucaryote dépendent également d’un cytosquelette étendu. Mais comment le saut évolutif de cellules eucaryotes aussi complexes s’est-il produit ?

L’une des théories évolutionnistes les plus populaires postule actuellement que les eucaryotes (y compris les animaux, les plantes et les champignons) sont nés de la fusion d’Archon, d’Asgard et de bactéries. Source image : Florian Wollweber, ETH Zürich

La plupart des modèles actuels supposent que les archées et les bactéries ont joué un rôle majeur dans l’évolution des eucaryotes. On pense que la cellule eucaryote procaryote a évolué à partir d’une symbiose étroite entre les archées et les bactéries il y a environ 2 milliards d’années. En 2015, des études génomiques d’échantillons environnementaux en haute mer ont découvert un groupe d’archées Asgard, qui sur l’arbre de la vie représentent les parents les plus proches des eucaryotes. Les premières images de cellules Asgard issues de cultures d’enrichissement ont été publiées en 2020 par un groupe japonais.

Archées Asgard cultivées à partir de sédiments marins

Le groupe de travail de Christa Schleper à l’Université de Vienne a maintenant réussi pour la première fois à créer un représentant de ce groupe dans des concentrations encore plus élevées. Il provient des sédiments marins de la côte de Piran, en Slovénie, mais est également originaire de Vienne, par exemple dans les sédiments des rives du Danube. Au fur et à mesure qu’ils atteignent une densité cellulaire élevée, ce représentant peut être particulièrement bien étudié. « Il a été très difficile et ardu d’obtenir cet organisme hautement sensible dans une culture stable en laboratoire », explique Tiago Rodriguez-Oliviera, chercheur postdoctoral dans le groupe de travail Archaea à l’Université de Vienne et l’un des premiers auteurs de la étudier.

Le premier co-auteur Rafael Ponce a échantillonné des sédiments marins dans le canal Seca à Piran, en Slovénie. Crédit : © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Vienne

Les archées Asgard ont une forme cellulaire complexe avec un cytosquelette étendu

Le succès remarquable du groupe de Vienne dans la culture d’un représentant hautement enrichi d’Asgard a finalement permis un examen plus détaillé des cellules par microscopie. Les chercheurs de l’ETH du groupe de Martin Pilhofer ont utilisé un microscope cryoélectronique de pointe pour prendre des images de cellules congelées par choc. « Cette méthode permet une vue en trois dimensions des structures cellulaires internes », explique Pilhofer.

Micrographie électronique à balayage d’une cellule de Lokiarchaeum ossiferum montrant de longues protubérances cellulaires complexes. Crédit : © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Vienne

Les cellules sont constituées de corps cellulaires ronds avec des extensions cellulaires minces et parfois très longues. « Il semble que parfois ces structures en forme de tentacules relient différents corps cellulaires les uns aux autres », explique Florian Wollweber, qui a passé des mois à suivre les cellules au microscope. Les cellules contiennent également un vaste réseau de filaments d’actine que l’on pense être unique aux cellules eucaryotes. Cela indique que de vastes structures cytosquelettiques sont apparues chez les archées avant l’apparition des premiers eucaryotes et informent les théories évolutionnistes de cet événement important et fascinant de l’histoire de la vie.

Perspectives futures grâce au nouvel organisme modèle

« Notre nouvel organisme, appelé Lokiarchaeum ossiferum, a un grand potentiel pour fournir de nouvelles informations révolutionnaires sur l’évolution précoce des eucaryotes », a commenté la microbiologiste Krista Schlipper. « Il a fallu six longues années pour obtenir une culture stable et hautement enrichie, mais nous pouvons maintenant utiliser cette expérience pour mener de nombreuses études biochimiques et pour faire pousser d’autres archées d’Asgard également. » De plus, les scientifiques peuvent désormais utiliser les nouvelles méthodes d’imagerie développées à l’ETH pour étudier, par exemple, les interactions étroites entre les archées d’Asgard et leurs partenaires bactériens. Des processus biologiques cellulaires de base tels que la division cellulaire pourront également être étudiés à l’avenir afin de faire la lumière sur l’origine évolutive de ces mécanismes chez les eucaryotes.

Référence : « Actin cytoskeleton and complex cytoarchitecture in Archon Asgard » par Tiago Rodriguez-Oliviera, Florian Wollweber, Rafael I. Ponce Toledo, Jingwei Zhou, Simon K.-MR Reitmann, Andreas Klingel, Martin Bielhofer et Krista Schlieber, 21 décembre 2022 , Disponible ici. la nature.
DOI : 10.1038/s41586-022-05550-y