La tomographie cryo-électronique a fourni un aperçu de la structure cellulaire d'un archéon Asgard nouvellement cultivé illustré ici. Remarquables sont les vastes filaments du cytosquelette d'actine (orange) dans les corps cellulaires et les saillies cellulaires, ainsi que l'enveloppe cellulaire unique (bleue). Crédit : © Margot Riggi, The Animation Lab, Université de l'Utah
Des chercheurs de l'Université de Vienne et de l'ETH Zurich cultivent le 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 au Université de Vienne et l'équipe de Martin Pilhofer à ETH Zurich ont fait un pas vers sa résolution. Les scientifiques ont réussi à cultiver un archéon spécial et à le 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 Nature.
Toutes les formes de vie sur terre sont divisées en trois grands domaines : les eucaryotes, les bactéries et les archées. Les eucaryotes comprennent les groupes d'animaux, de plantes et de champignons. Leurs cellules sont généralement beaucoup plus grandes et, à première vue, plus complexes que les cellules des bactéries et des archées. Le matériel génétique des eucaryotes, par exemple, est conditionné dans un noyau cellulaire et les cellules ont également un grand nombre d'autres compartiments. La forme et le transport des cellules au sein de la cellule eucaryote reposent également sur un cytosquelette étendu. Mais comment le saut évolutif vers des cellules eucaryotes aussi complexes s'est-il produit ?
L'une des théories évolutionnistes les plus populaires actuellement suppose que les eucaryotes (y compris les animaux, les plantes et les champignons) sont nés de la fusion d'un archéon Asgard avec une bactérie. Crédit : © Florian Wollweber, ETH Zürich
La plupart des modèles actuels supposent que les archées et les bactéries ont joué un rôle central dans l'évolution des eucaryotes. On pense qu'une cellule primordiale eucaryote a évolué à partir d'une symbiose étroite entre les archées et les bactéries il y a environ deux milliards d'années. En 2015, des études génomiques d'échantillons environnementaux en haute mer ont découvert le groupe des soi-disant archées d'Asgard, qui, dans l'arbre de la vie, représentent les parents les plus proches des eucaryotes. Les premières images de cellules d'Asgard ont été publiées en 2020 à partir de cultures d'enrichissement 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 cultiver un représentant de ce groupe dans des concentrations plus élevées. Il provient des sédiments marins de la côte de Piran, en Slovénie, mais est aussi un habitant de Vienne, par exemple dans les sédiments des rives du Danube. En raison de sa croissance à des densités cellulaires élevées, ce représentant peut être particulièrement bien étudié. "Il a été très délicat et laborieux d'obtenir cet organisme extrêmement sensible dans une culture stable en laboratoire", rapporte Thiago Rodrigues-Oliveira, postdoc dans le groupe de travail Archaea à l'Université de Vienne et l'un des premiers auteurs de l'étude.
Le co-premier auteur Rafael Ponce échantillonne des sédiments marins au 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 remarquable succès du groupe viennois à cultiver un représentant d'Asgard hautement enrichi 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 cryo-électronique moderne pour prendre des photos de cellules congelées par choc. "Cette méthode permet un aperçu tridimensionnel des structures cellulaires internes", explique Pilhofer.
Micrographie électronique à balayage d'une cellule de Lokiarchaeum ossiferum montrant les saillies cellulaires longues et complexes. Crédit : © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Vienne
"Les cellules sont constituées de corps cellulaires ronds avec des extensions cellulaires minces, parfois très longues. Ces structures ressemblant à des tentacules semblent même parfois relier différents corps cellulaires les uns aux autres », explique Florian Wollweber, qui a passé des mois à traquer 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 suggère que des structures cytosquelettiques étendues sont apparues chez les archées avant l'apparition des premiers eucaryotes et alimentent les théories évolutives autour de cet événement important et spectaculaire 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", commente la microbiologiste Christa Schleper. "Il a fallu six longues années pour obtenir une culture stable et hautement enrichie, mais maintenant nous pouvons utiliser cette expérience pour effectuer de nombreuses études biochimiques et pour cultiver également d'autres archées d'Asgard." 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 cell architecture in an Asgard archaeon" par Thiago Rodrigues-Oliveira, Florian Wollweber, Rafael I. Ponce-Toledo, Jingwei Xu, Simon K.-MR Rittmann, Andreas Klingl, Martin Pilhofer et Christa Schleper, 21 décembre 2022, Nature.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05550-y
