Quand les microbes rencontrent l'oxygène : comment les cellules anciennes se sont préparées à la complexité

Dans les profondeurs silencieuses sous les boues du fond marin côtier et les sédiments anciens se cache un chapitre de l'histoire de la vie qui a longtemps été caché à la vue — un récit écrit non pas dans des os ou des fossiles, mais dans le code génétique même de la vie microscopique. Des recherches récentes ont révélé des preuves remarquables que les premiers ancêtres de la vie complexe sur Terre ont peut-être eu une relation surprenante avec l'oxygène, offrant de nouvelles perspectives sur la façon dont de simples cellules archéennes ont évolué vers la riche tapisserie d'organismes que nous voyons aujourd'hui.

Depuis des décennies, les scientifiques se demandent comment les premières cellules eucaryotes — les éléments constitutifs des plantes, des animaux et des champignons — ont émergé d'organismes plus primitifs. Au cœur de cette question se trouve un groupe de microorganismes connus sous le nom d'Asgardarchaeota, de minuscules formes de vie unicellulaires nommées d'après des royaumes mythologiques et considérées comme les plus proches parents vivants de l'ancêtre archéen des eucaryotes. Parmi eux, une classe appelée Heimdallarchaeia a été particulièrement mise en avant comme étant très proche en parenté évolutive de la lignée qui a donné naissance à toute vie complexe.

Dans une étude révolutionnaire publiée dans Nature, des chercheurs ont analysé des centaines de génomes provenant de sédiments marins, doublant presque la diversité connue des archées Asgard et révélant un profil métabolique inattendu parmi les Heimdallarchaeia. Ce qui a émergé est une image de sophistication métabolique qui ressemble de près à des traits autrefois considérés comme exclusifs aux cellules eucaryotes évoluant plus tard — y compris l'utilisation de l'oxygène dans le métabolisme énergétique.

Contrairement à beaucoup de leurs cousines archéennes, qui prospèrent dans des environnements pauvres en oxygène ou anaérobies, ces lignées de Heimdallarchaeia se trouvent dans des sédiments où les niveaux d'oxygène peuvent varier — un indice qu'elles s'étaient adaptées à l'oxygène et pouvaient le métaboliser. Leurs génomes codent des composants clés de la respiration aérobie, tels que des parties de la chaîne de transport des électrons (y compris le Complexe IV), des voies de synthèse de l'hème — une molécule cruciale pour les enzymes liant l'oxygène — et des systèmes de protection contre les espèces réactives de l'oxygène générées lors de l'utilisation de l'oxygène.

Peut-être encore plus intrigant, ces organismes abritent également des hydrogénases uniques liées aux membranes avec des sous-unités supplémentaires rappelant le Complexe I dans les systèmes respiratoires modernes. Ces complexes sont censés améliorer la génération de gradients de protons et ainsi augmenter la production d'ATP, la monnaie énergétique des cellules. Ensemble, ces caractéristiques suggèrent que l'ancêtre archéen des eucaryotes n'était pas strictement anaérobie — comme de nombreux modèles traditionnels l'ont un jour supposé — mais qu'il pouvait être capable d'exploiter l'oxygène pour l'énergie, du moins dans une certaine mesure.

Cette nouvelle preuve génomique soutient un modèle mis à jour de l'eucaryogenèse — le processus évolutif par lequel de simples cellules archéennes ont donné naissance à la vie eucaryote complexe. Dans ce modèle, l'ancêtre commun des archées et des eucaryotes possédait déjà des capacités métaboliques qui reliaient la respiration anaérobie et aérobie. Un tel outil bioénergétique aurait pu fournir un avantage significatif alors que l'atmosphère terrestre devenait de plus en plus oxygénée lors d'événements comme le Grand Événement d'Oxydation il y a plus d'un milliard d'années, qui a considérablement augmenté les niveaux d'oxygène dans l'environnement.

En termes pratiques, cela signifie que les premiers eucaryotes n'ont peut-être pas eu besoin de mécanismes entièrement nouveaux pour utiliser l'oxygène après avoir acquis symbiotiquement des bactéries qui ont évolué en mitochondries (les organites producteurs d'énergie dans les cellules eucaryotes modernes). Au lieu de cela, des aspects du métabolisme de l'oxygène auraient déjà existé chez leurs ancêtres archéens, affinés et étendus plus tard en partenariat avec ces symbiontes bactériens.

Pour les biologistes évolutifs, ces découvertes offrent une image plus nuancée de l'évolution précoce de la vie, qui reconnaît à la fois le contexte environnemental de l'atmosphère changeante de la Terre et le potentiel génétique intégré dans certaines de ses lignées les plus anciennes. Cela met en évidence comment l'oxygène — autrefois considéré comme un défi que la vie primitive peinait à tolérer — a peut-être joué un rôle central dans l'émergence même de la complexité.

Dans les années à venir, les chercheurs s'attendent à s'appuyer sur ce catalogue génomique élargi pour explorer davantage comment les innovations métaboliques ont croisé des changements écologiques et environnementaux à l'échelle planétaire. Ce que ces minuscules génomes archéens révèlent touche à certaines de nos questions les plus profondes sur la façon dont la vie, dans toute sa diversité, a d'abord émergé et prospéré sur Terre.

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Sources Nature EurekAlert! ScienceMag NewsMinimalist Bioengineer.org