Des scientifiques cultivent d'insaisissables microbes des grands fonds, les plus proches de la vie complexe

Marquant une étape majeure pour la microbiologie évolutive, des chercheurs au Japon ont réussi à isoler et à cultiver deux souches vivantes d'Heimdallarchaeia, des micro-organismes des grands fonds marins reconnus comme les parents procaryotes connus les plus proches de toute la vie complexe sur Terre. Cette avancée, menée par les scientifiques Hiroyuki Imachi et Masaru K. Nobu de la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, aux côtés de Satoshi Nakagawa de la Kyoto University, offre aux chercheurs leur première occasion d'étudier directement ces organismes fragiles dans des conditions contrôlées en laboratoire, plutôt que de s'en remettre exclusivement à des séquences génétiques fragmentaires extraites de sédiments océaniques.

## Faits marquants

- Des microbiologistes marins menés par Hiroyuki Imachi, Masaru K. Nobu et Satoshi Nakagawa ont réussi à isoler et à cultiver deux souches appartenant à la classe des Heimdallarchaeia. - L'équipe de recherche est issue d'un partenariat entre la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) et la Kyoto University. - Les Heimdallarchaeia appartiennent au super-embranchement des archées d'Asgård, une lignée ancestrale d'organismes unicellulaires dont les données génomiques indiquent qu'elle a donné naissance aux eucaryotes. - Les eucaryotes regroupent tous les organismes dotés de noyaux cellulaires délimités par une membrane, englobant l'ensemble des animaux, plantes, champignons et protistes. - La mise en culture de ces organismes surmonte d'immenses obstacles biologiques, car les archées d'Asgård ne se divisent souvent qu'une fois toutes les quelques semaines et exigent des conditions de croissance strictement anaérobies et syntrophiques.

## Ce qui s'est passé

Selon des informations publiées par phys.org, le consortium scientifique dirigé par la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) et la Kyoto University est parvenu à mener l'isolement et la culture prolongée en laboratoire de deux souches distinctes d'Heimdallarchaeia. Avant ces travaux, les Heimdallarchaeia avaient été détectées presque uniquement par séquençage d'ADN environnemental — une technique connue sous le nom de métagénomique —, laissant les scientifiques sans spécimens physiques vivants pour observer leur comportement cellulaire, leur activité métabolique et leurs structures physiques.

La culture d'organismes provenant de sédiments marins profonds pose d'extraordinaires difficultés expérimentales. Un grand nombre de ces archées aux ramifications profondes vivent dans des environnements extrêmes, limités en énergie, situés sous le plancher océanique. Dans ces habitats, les cellules microbiennes ont des temps de doublement qui s'étendent sur des semaines ou des mois, à comparer au temps de doublement d'environ vingt minutes des bactéries de laboratoire communes telles qu'Escherichia coli. Leur mise en culture exige de recréer des conditions chimiques, thermiques et biologiques précises, nécessitant souvent la présence de microbes compagnons — appelés partenaires syntrophiques — qui consomment les déchets métaboliques comme l'hydrogène ou le formate afin de rendre les réactions thermodynamiques viables.

Les recherches menées par Imachi, Nobu et Nakagawa se sont appuyées sur des années de protocoles de culture méthodiques conçus pour amener ces organismes marins à croissance lente à proliférer dans des systèmes stables de bioréacteurs. En réussissant à acclimater les souches d'Heimdallarchaeia à des cultures de laboratoire viables, les chercheurs ont obtenu des lignées cellulaires physiques qui peuvent être soumises directement à la microscopie électronique à haute résolution, au profilage métabolomique, à l'analyse biochimique et à des manipulations expérimentales contrôlées.

## Pourquoi c'est important

Le passage de simples microbes unicellulaires dépourvus de compartiments internes à des cellules eucaryotes complexes renfermant un noyau, des organites et des réseaux endomembranaires constitue l'un des événements évolutifs les plus déterminants des 4,5 milliards d'années d'histoire de la Terre. Chaque organisme multicellulaire ayant existé — des séquoias aux baleines bleues, jusqu'aux êtres humains — est un eucaryote. Malgré des décennies d'études intensives, la succession mécanistique d'événements ayant produit la cellule eucaryote ancestrale, un processus désigné sous le terme d'eukaryogenèse, demeure l'une des plus grandes énigmes de la biologie.

L'isolement réussi d'Heimdallarchaeia vivantes apporte le socle expérimental nécessaire pour éprouver des hypothèses débattues depuis longtemps sur cette transition. Si les analyses génomiques ont montré que les archées d'Asgård possèdent des protéines signatures d'eucaryotes — des gènes que l'on pensait jadis restreints aux cellules complexes, notamment ceux responsables du remodelage membranaire, de la dégradation des protéines via l'ubiquitine et des réseaux d'actine du cytosquelette —, les scientifiques ne pouvaient que spéculer sur la fonction réelle de ces protéines au sein d'une archée. L'observation d'Heimdallarchaeia vivantes permet aux biologistes cellulaires de vérifier si ces microbes produisent des protubérances membranaires complexes, forment des systèmes primitifs de transport vésiculaire ou engloutissent physiquement d'autres microbes.

De surcroît, le fait de disposer de souches en culture donne aux chercheurs la possibilité de trancher les différends métaboliques sur la manière dont le partenariat entre un hôte archéen et l'ancêtre bactérien des mitochondries s'est initialement constitué. Déterminer si ces organismes consomment de l'oxygène, métabolisent l'hydrogène ou s'appuient sur des composés carbonés organiques éclaire les conditions environnementales qui prévalaient lorsque la lignée eucaryote a divergé, il y a environ deux milliards d'années. Pour les filières pharmaceutique et biotechnologique, de nouvelles enzymes issues de ces archées ancestrales de milieux extrêmes pourraient également fournir des biocatalyseurs robustes, capables de fonctionner dans des conditions physiologiques et industrielles inhabituelles.

## Le contexte

Pendant des décennies, les manuels de biologie ont classé l'ensemble de la vie terrestre en trois domaines fondamentaux, selon un système proposé en 1977 par le microbiologiste Carl Woese à partir de comparaisons de l'ARN ribosomique : Bacteria, Archaea et Eucarya (plus tard nommé Eukaryota). Dans ce paradigme à trois domaines de Woese, Archaea et Eukaryota partageaient un ancêtre commun à l'exclusion de Bacteria, mais représentaient des branches évolutives parallèles ayant divergé il y a des milliards d'années.

Ce consensus a commencé à évoluer rapidement en 2015 lorsqu'une équipe internationale de recherche a découvert les séquences génomiques d'une nouvelle archée dans des échantillons de sédiments prélevés près de Loki's Castle, un champ hydrothermal situé sur la dorsale médio-océanique arctique entre le Groenland et la Norvège. Baptisé Lokiarchaeota, ce microbe contenait un nombre inédit de gènes étroitement apparentés à ceux rencontrés chez les eucaryotes. Les campagnes ultérieures de séquençage environnemental menées dans des boues côtières, des sources hydrothermales et des fosses océaniques ont mis au jour des lignées apparentées, désignées collectivement sous le nom de super-embranchement d'Asgård, d'après les divinités de la mythologie nordique : Thorarchaeota, Odinarchaeota et Heimdallarchaeia.

Les reconstructions phylogénétiques ont de plus en plus démontré que les eucaryotes ne formaient pas un troisième domaine du vivant indépendant, mais s'enracinaient directement au sein du super-embranchement d'Asgård — un modèle structurel connu sous le nom d'arbre à deux domaines. Parmi les groupes d'Asgård, les Heimdallarchaeia sont systématiquement ressorties de plusieurs analyses informatiques rigoureuses comme la branche la plus étroitement apparentée à la lignée eucaryote.

Malgré l'avalanche de découvertes génomiques, les archées d'Asgård sont restées des fantômes biologiques car aucune n'avait pu être observée ou cultivée à l'état pur. Cela a changé en 2019 et 2020, lorsqu'une équipe menée par Imachi et Nobu a publié une étude marquante documentant la culture de la première archée d'Asgård, Prometheoarchaeum syntrophicum, isolée à partir de sédiments de suintement de méthane marin collectés au large du Japon dans la Nankai Trough. Ce projet de culture a réclamé plus de douze ans de travail patient en laboratoire à l'aide d'un bioréacteur à flux continu spécialisé alimenté au méthane. Prometheoarchaeum, qui appartient aux Lokiarchaeota, dépendait d'un partenaire symbiotique pour éliminer l'hydrogène et arborait des tentacules cellulaires ramifiés atypiques qui ont pu aider les archées ancestrales à envelopper physiquement le progéniteur bactérien de la mitochondrie. Néanmoins, les arbres phylogénétiques suggérant que les Heimdallarchaeia se situeraient encore plus près des eucaryotes que les Lokiarchaeota, cultiver des représentants d'Heimdallarchaeia demeurait la cible suprême des chercheurs explorant les origines de la cellule.

## Réactions

La communauté scientifique dans son ensemble, en particulier dans les secteurs de la biologie évolutive, de la systématique phylogénétique et de la microbiologie de la subsurface profonde, devrait considérer la mise en culture d'Heimdallarchaeia comme une avancée d'une portée comparable à celle de Prometheoarchaeum syntrophicum en 2019. Une évaluation formelle par les pairs et des analyses comparatives sont attendues à l'occasion des grands colloques scientifiques internationaux et dans les revues académiques consacrées à l'évolution microbienne et à la biologie cellulaire.

Les théoriciens de l'évolution qui ont confronté des modèles concurrents de l'eukaryogenèse — tels que l'hypothèse de la mitochondrie précoce (« mitochondria-early ») par opposition au scénario de l'archée phagotrophe (« phagotrophic archaeon ») — analyseront les données morphologiques et métaboliques tirées de ces cultures pour étayer ou invalider leurs schémas théoriques. Les institutions universitaires axées sur l'exploration de la biosphère profonde, notamment les centres de recherche marine en Europe, en Amérique du Nord et en Asie de l'Est, devraient examiner les paramètres de culture employés par le consortium JAMSTEC-Kyoto afin de tenter des réplications et d'adapter des protocoles semblables à d'autres lignées marines non encore cultivées.

## Ce que nous ignorons encore

Bien que l'isolement des deux souches représente un progrès expérimental majeur, d'importants aspects de la machinerie cellulaire de ces organismes et de leurs implications évolutives restent encore non élucidés dans les premières communications. Les descriptions phénotypiques complètes — incluant des images détaillées en microscopie électronique à transmission de l'enveloppe cellulaire, de la compartimentation interne et des structures membranaires — nécessitent des publications détaillées et une validation comparative.

Par ailleurs, les exigences de croissance précises, les taux de doublement ainsi que le bilan complet des intrants et extrants métaboliques propres à ces deux souches particulières d'Heimdallarchaeia n'ont pas encore été présentés exhaustivement dans les données rendues publiques. Il reste à vérifier si ces souches requièrent une relation de syntrophie obligatoire avec des bactéries sulfato-réductrices ou des méthanogènes, à l'instar de Prometheoarchaeum, ou si elles possèdent des voies métaboliques autonomes. Enfin, fait essentiel, il n'est pas encore établi si ces cellules vivantes présentent activement une endocytose analogue à celle des eucaryotes, un bourgeonnement vésiculaire ou une motilité dépendante du cytosquelette, autant de facultés majeures supposées avoir permis l'eukaryogenèse initiale.

## Ce qu'il faut surveiller

Les regards vont désormais se tourner vers les prochaines publications scientifiques relues par les pairs et leurs jeux de données complémentaires détaillant la caractérisation physique, métabolique et génomique intégrale des deux souches cultivées. Les observateurs et les chercheurs suivront de près les études structurales par tomographie cryo-électronique, qui permettront de dévoiler l'architecture interne des organismes à une résolution quasi atomique sans les altérations provoquées par la fixation chimique.

Un autre indicateur capital de l'impact de ces travaux résidera dans la capacité d'autres laboratoires internationaux à reproduire de manière indépendante ces conditions de culture ou à obtenir des souches viables auprès de la JAMSTEC et de la Kyoto University pour mener des investigations parallèles. Les observateurs surveilleront également les prochains colloques internationaux de biologie évolutive ainsi que les rassemblements de l'International Society for Evolutionary Protistology, où des analyses phylogénétiques comparatives intégrant ces isolats vivants seront exposées afin de trancher le débat persistant sur la topologie exacte de la ramification de l'arbre du vivant à deux domaines.

Ce compte rendu a été établi sur la base d'informations initialement publiées par phys.org.