Archaea et le sens de la vie
Les humains aiment démesurément diviser les choses en deux – notre approche de la classification taxonomique ne fait pas exception. Le plus ancien système publié par Linné divisait les organismes vivants en animaux et plantes, et dans les années 1960, il a été supplanté par une division plus fondamentale entre procaryotes et eucaryotes. Il n’est donc pas surprenant que l’idée d’un troisième domaine de vie – les archées – ait rencontré une résistance farouche lorsqu’elle a été proposée dans les années 1970.
Une brève histoire des archées : 1977 à aujourd’hui
Les archées sont très répandues sur Terre et pourtant on en sait relativement peu sur elles, en dehors des groupes restreints de personnes qui étudient ces organismes fascinants. Elles constituent un mystère qui s’éclaircit lentement depuis leur « découverte » en 1977 par Carl Woese et son groupe, dont George Fox, alors qu’ils travaillaient à l’Université de l’Illinois.
Les méthanogènes (archées qui produisent du méthane) et d’autres groupes de micro-organismes, dont les halobactéries (maintenant appelées archées halophiles) ainsi que les thermophiles, avaient déjà été découverts, mais ils avaient été mal classés dans le domaine des Bactéries. Woese a découvert que ces organismes ne partageaient pas seulement un amour pour les environnements extrêmes, mais qu’ils étaient aussi phylogénétiquement liés les uns aux autres. Cependant, il a été surpris de constater qu’ils sont fondamentalement distincts des bactéries.
Woese utilisait l’ARNr à petites sous-unités (ARN ribosomal) pour construire un nouvel arbre phylogénique. L’ARNr à petite sous-unité est un composant essentiel de tous les organismes auto-réplicateurs et présente une conservation de séquence remarquable. Cela en faisait un choix parfait pour un chronomètre moléculaire. À l’époque, cette approche moléculaire de la phylogénie était nouvelle – les méthodes précédentes reposaient plutôt sur des caractéristiques visibles telles que la forme des cellules ou les conditions de croissance. Woese a découvert que les procaryotes ne forment pas un seul domaine cohérent, mais sont constitués de deux groupes distincts : les bactéries et les archées. À l’époque, on les appelait respectivement « Eubactéries » et « Archaebactéries », mais il s’est avéré que ces deux groupes de procaryotes n’étaient pas plus semblables entre eux qu’ils ne l’étaient aux eucaryotes. Woese a proposé que l’arbre de la vie ait trois branches égales – Archaea, Bacteria et Eukarya – et que le terme « procaryote » soit abandonné car il n’a aucune signification taxonomique. Sans surprise, ses idées n’étaient pas universellement populaires.
L-R : UNE PISCINE DE BOUE, WAIOTAPU ; PISCINE DE CHAMPAGNE, WAIOTAPU ; UNE SOURCE CHAUDE DANS LE PARC NATIONAL DE YELLOWSTONE ; LES GISEMENTS DE SOUFRE, WAIOTAPU ; LA DAME KNOX GEYSER, WAIOTAPU.
Comme pour toute nouvelle découverte, il y a des sceptiques, mais les données biochimiques de Wolfram Zillig ont appuyé les données d’ARNr 16S recueillies par Woese. Avec le temps, le nouveau domaine des archées a été accepté par la communauté scientifique. L’intérêt pour les archées s’est encore accru après l’essor du séquençage du génome entier dans les années 1990, et les chercheurs ont de plus en plus délaissé les bactéries ou les eucaryotes pour travailler sur ces micro-organismes exotiques. Mais contrairement à la croyance populaire, toutes les archées ne sont pas des extrêmophiles. Elles ont également été découvertes dans des environnements « normaux », comme le sol et l’océan, et dans des environnements où elles cohabitent avec des bactéries. Par exemple, dans l’intestin humain, les archées sont responsables de la production de méthane ! Cependant, contrairement aux bactéries, aucune archée pathogène n’a jamais été découverte.
Près de 40 ans se sont écoulés depuis leur reclassement dans un nouveau domaine, mais on découvre encore de nombreuses espèces d’archées. Le séquençage de l’ADN s’est considérablement amélioré, ce qui signifie que les archées ne doivent plus être cultivées pour être caractérisées. Cela a permis de découvrir des lignées entièrement nouvelles. Sur la base des données phylogénétiques (ARNr 16S et autres gènes), le domaine des archées était initialement divisé en deux groupes : les Euryarchaeota et les Crenarchaeota. Cependant, depuis 2006, trois autres lignées ont été découvertes : Thaumarchaeota, Aigarchaeota et Korarchaeota. Ces trois nouveaux groupes sont souvent combinés avec les Crenarchaeota pour former le superphylum « TACK » (voir plus loin). Plus récemment encore, des rapports ont fait état de nouvelles lignées d’archées « nano », qui se caractérisent par une cellule de petite taille et très peu de gènes. La mise au jour constante de nouvelles espèces et de nouveaux groupes fait des archées un domaine très fluide, l’arbre phylogénétique changeant à chaque nouvelle découverte.
TIMELINE DES ARCHÉES DEPUIS LEUR DÉCOUVERTE JUSQU’À PRÉSENT.
Les origines de la vie ?
Les archées peuvent ressembler à des bactéries au premier coup d’œil et il y a certainement beaucoup de similitudes superficielles, mais creusez plus profondément et les archées ont plus en commun avec les eucaryotes. En fait, il est maintenant largement accepté que les archées sont les ancêtres de tous les eucaryotes.
Les archées, comme les bactéries, sont des organismes unicellulaires avec un génome d’ADN circulaire à double brin, et elles n’ont ni membrane nucléaire ni organites. Cela signifie qu’elles sont similaires aux bactéries en termes de structure cellulaire, bien qu’il existe des différences. Les archées ne possèdent pas de paroi cellulaire de type bactérien et leur membrane plasmique est différente de celle des bactéries et des eucaryotes. Mais à l’intérieur de la cellule, les archées présentent un air de famille frappant avec les eucaryotes. C’est notamment le cas de la machinerie enzymatique qui traite l’information génétique – conditionnement et réplication de l’ADN, transcription en ARN et traduction en protéines. Tous ces processus sont essentiellement les mêmes chez les archées et les eucaryotes, et sont bien distincts de ceux des bactéries.
Ceci suscite la question suivante : si les archées sont plus étroitement apparentées aux eucaryotes que les bactéries, alors comment s’insèrent-elles dans l’arbre de la vie ?
L’arbre phylogénétique proposé par Woese était divisé en trois domaines égaux, les archées et les eucaryotes partageant un ancêtre commun qui avait déjà divergé des bactéries. Cependant, les biologistes travaillant sur les origines de la vie ont récemment conclu qu’Eukarya et Archaea ne sont pas des groupes frères. Au contraire, les eucaryotes sont les descendants directs des archées, et notre ancêtre disparu appartient au superphylum « TACK » des archées. L’une des découvertes les plus passionnantes de l’année dernière a été l’identification d’un « chaînon manquant » entre Eukarya et Archaea. Appelés Lokiarchaeota, ils ont été découverts près d’une cheminée hydrothermale sur un site connu sous le nom de Château de Loki dans l’océan Arctique.
Pouvons-nous utiliser notre connaissance des archées pour retracer les origines de la vie complexe ? Les microfossiles eucaryotes peuvent être datés jusqu’à 1,8 milliard d’années mais le méthane biologique a été trouvé dans des roches vieilles de 3,4 milliards d’années. La seule source de méthane biologique est l’Euryarchaeota méthanogène. Nous savons donc que les archées existent depuis les tout débuts de la vie sur Terre. Quant à la vie sur d’autres planètes, il est tentant de spéculer que les archées ont peut-être aussi colonisé Mars – les preuves s’accumulent que le méthane de l’atmosphère martienne a une origine biologique.
DR THORSTEN ALLERS DE L’UNIVERSITÉ DE NOTTINGHAM EXPLORE COMMENT CES MICRO-ORGANISMES FASCINANTS ONT ÉTÉ DÉCOUVRÉS POUR LA PREMIÈRE FOIS – ET COMMENT ILS ONT MÊME FAIT RÉFLÉCHIR NOTRE PROPRE PLACE SUR L’ARBRE DE LA VIE.
La révolution de Woese
Que signifient ces récentes découvertes pour nous, les humains ? Étant donné notre désir de dichotomie, nous devrions être soulagés que l’arbre de la vie ait été ramené à deux branches primaires seulement – les bactéries et les archées. Et plus que tout, nous devrions reconnaître le mérite de Carl Woese, dont la révolution taxonomique nous a permis de retracer nos ancêtres jusqu’à leurs humbles débuts en tant que cellules archées.
Arbres phylogénétiques universels sous forme de racines, montrant les trois domaines.
HANNAH MARRIOTT & THORSTEN ALLERS
School of Life Sciences, University of Nottingham, Queen’s Medical Centre, Nottingham NG7 2UH, UK
Lectures complémentaires
Eme, L. & Doolittle, W. F. (2015). Archaea. Curr Biol 25, R845-R875.
Spang, A. & autres (2015). Des archées complexes qui comblent le fossé entre procaryotes et eucaryotes. Nature 521, 173-179.
Williams, T. A. & autres (2013). Une origine archéale des eucaryotes soutient seulement deux domaines primaires de la vie. Nature 504, 231-236.
Woese C. R., Kandler O. & Wheelis M. L. (1990). Vers un système naturel d’organismes : proposition pour les domaines Archaea, Bacteria, et Eucarya. Proc Natl Acad Sci USA 87, 4576-4579.