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Loki, vieille cousine venue du fond des mers

Des biologistes ont découvert un micro-organisme exceptionnel vivant en profondeur.Un possible chaînon manquant dans la longue histoire des cellules humaines

L’archée Loki, vieille cousine venue du fond des mers

Evolution Des biologistes ont découvert un micro-organisme exceptionnel vivant en profondeur

Ce pourrait être un chaînon manquant dans la longue histoire des cellules humaines, peu après l’apparition de la vie sur Terre

Nous sommes dans les eaux glacées au large de l’archipel du Svalbard, au nord-ouest de la Norvège, plus précisément à une quinzaine de kilomètres du «Château de Loki», le volcan sous-marin le plus septentrional de la planète situé à 2500 m de profondeur. La pression y est 250 fois plus élevée qu’en bord de mer, la température flirte avec le 0 °C, et l’oxygène est quasi inexistant. Pas très accueillant, en somme. C’est pourtant ici qu’a élu domicile Loki, un minuscule micro-organisme appelé «archée», que vient de découvrir une équipe internationale réunissant des biologistes des Universités d’Uppsala (Suède), de Bergen (Norvège) et de Vienne (Autriche), parmi lesquels le Suisse Lionel Guy, ancien doctorant de l’Université de Lausanne. Une percée qui fait l’objet d’une publication ce jeudi dans la revue Nature. Loki pourrait être rien de moins qu’un chaînon manquant dans l’évolution du vivant dans sa période primitive.

Derrière cette découverte, la question de nos origines les plus lointaines. D’où venons-nous? Nous avons des gènes en commun avec les grands singes, bien entendu. Mais si l’on remonte beaucoup, beaucoup plus loin dans le passé, il est bien difficile de déterminer le chemin suivi par les cellules dont nous sommes faits, appelées eucaryotes parce qu’elles contiennent un noyau et des organites, les sous-structures cellulaires. Aujourd’hui, les organismes vivants complexes qui nous entourent (animaux, plantes, champignons…) sont faits de cellules eucaryotes.

Les biologistes estiment que les eucaryotes descendent de lointains ancêtres dits procaryotes, ainsi nommés car au contraire dépourvus de noyau et d’organites; les bactéries sont ainsi des procaryotes. Mais les modalités et les étapes de cette évolution sont au cœur d’une controverse scientifique vieille de quarante ans.

Organismes de l’extrême

En 1977, le biologiste américain Carl Woese révolutionne les sciences du vivant en mettant fin à la classification historique qui séparait alors le vivant en deux camps seulement: procaryotes et eucaryotes. A l’aide d’analyses génétiques, il vient en effet de découvrir que le monde procaryote n’est pas uniforme, mais qu’il existe en son sein de nombreux organismes certes dépourvus de noyau mais dont la machinerie cellulaire rappelle celle… des eucaryotes! Une découverte renversante, qui conduit Carl Woese à logiquement diviser les procaryotes en deux grands groupes: d’un côté les bactéries déjà connues, de l’autre les archées, qu’il vient d’identifier. Ces dernières sont des habituées des environnements extrêmes. Certaines sont friandes des milieux acides, d’autres barbotent dans des eaux si salées que celles-ci tueraient n’importe quel être vivant. Suite aux travaux de Carl Woese, le vivant fut donc partagé en trois grands domaines: eucaryotes, bactéries et archées.

Les biologistes ont essayé d’établir des arbres phylogénétiques (sortes d’arbres généalogiques des espèces) expliquant qui descend de qui, mais sans jamais tomber d’accord. «Il est couramment admis que les cellules eucaryotes sont apparues suite à la fusion d’un procaryote avec certaines bactéries, qui sont devenues les organites», explique Lionel Guy, de l’Université d’Uppsala. La mitochondrie, la centrale énergétique de la cellule eucaryote, en est un exemple. «Mais les acteurs et les étapes de cette fusion demeurent méconnus», poursuit-il.

Notre plus proche cousin sans noyau

C’est là que Loki, Lokiarchaeota dans la langue de Cicéron, entre en scène. En éclairant le passé des eucaryotes, Loki pourrait réconcilier tout le monde – quand bien même ce nom est celui du dieu de la discorde dans la mythologie scandinave. Remontée à la surface dans une carotte sédimentaire prélevée par un petit sous-marin, cette nouvelle archée a été identifiée au Laboratoire de biologie cellulaire et moléculaire de l’Université d’Uppsala. «Nous espérions que l’analyse de Loki révélerait quelques pièces du puzzle de l’origine des cellules eucaryotes», a déclaré dans un communiqué Thijs Ettema, le responsable de l’étude. Ce qu’il a découvert a largement dépassé ses espérances.

L’ADN de Loki contient en effet des dizaines de gènes spécifiques des eucaryotes. C’est la première fois que l’on découvre un procaryote qui partage autant de gènes en commun avec nous. En particulier, certains codent des protéines impliquées dans la régulation du trafic des vésicules, un des organites eucaryotes, ou dans le remodelage de la membrane. Sachant que chaque organite possède sa propre membrane, «il s’agirait peut-être d’un précurseur de la diversité des organites des eucaryotes», suggère Lionel Guy. En résumé, Loki est plus qu’une simple archée, il s’agit d’une forme intermédiaire entre ces organismes et les eucaryotes: c’est «notre plus proche cousin non eucaryote», résume le chercheur.

«C’est une étude intéressante qui amène à reconsidérer la place des eucaryotes dans le vivant», commente Manolo Gouy, du Laboratoire de biométrie et biologie évolutive de l’Université de Lyon. Connaître le génome de Loki permet en outre de préciser les arbres phylogénétiques. Plusieurs études, dont celle-ci, font ainsi désormais pencher la balance en faveur des hypothèses proposant un ancêtre archée pour les eucaryotes (voir l’infographie).

Le voir pour le croire

La prudence est toutefois de mise. «Loki apparaît certes comme un descendant de l’archée ayant donné naissance aux cellules eucaryotes, reconnaît Purificación López-Garcia, de l’unité d’écologie systématique et évolution de l’Université Paris-Sud. Mais cette étude n’explique pas leur origine, on n’a aucune idée du mécanisme qui a amené cet ancêtre à fusionner avec des bactéries.» «La fusion est un mécanisme très complexe, il reste encore beaucoup de pointillés entre les eucaryotes et leur ancêtre», ajoute Manolo Gouy.

Purificación López-Garcia souligne en outre que «Loki n’a pas pu être observée, sa présence ayant simplement été déduite d’une analyse de gènes». Comme saint Thomas, la chercheuse veut voir pour y croire. Isoler Loki permettrait également de s’assurer de l’origine des gènes eucaryotes détectés. En l’état, ils pourraient en effet appartenir à d’autres organismes présents dans les sédiments, ou même avoir été intégrés au génome de Loki par transfert «horizontal», un échange de gènes courant chez les procaryotes.

«C’est une solide découverte, mais qu’il convient d’affiner», conclut Purificación López-Garcia. L’idéal serait, estime-t-elle, de pouvoir cultiver Loki en laboratoire afin d’étudier son métabolisme sous toutes les coutures. Ce qui, compte tenu de son environnement habituel, promet d’être compliqué… comme tout ce qui touche à l’étude de la vie sur Terre il y a quelque 2 milliards d’années.

«L’analyse de Loki a révélé quelques pièces du puzzle de l’origine des cellules dont nous sommes faits»

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