Thermococcus gammatoleransTherm un archéon flagellé qui prospère dans des eaux chaudes et privées d’oxygène. Notez la touffe de flagelles. Ce microbe vit dans une eau plus chaude qu’environ 160F. Creative Commons Angels Tapias. Cliquez sur l’image pour la licence et le lien.

Dans les années 1970, un scientifique obscur nommé Carl Woese (prononcé « malheurs ») travaillait sur quelque chose d’apparemment plutôt banal: trouver un moyen de classer les bactéries.

Bien que cela puisse sembler une tâche simple, les bactéries avaient obstinément résisté à toutes les tentatives précédentes. La méthode traditionnelle – en examinant les différences d’apparence, de structure et de métabolisme et en les observant – avait échoué. Les bactéries se ressemblent souvent et se ressemblent beaucoup quelle que soit leur véritable relation évolutive.

Les grands noms de la microbiologie avaient abandonné le problème il y a longtemps. Mais Woese avait une idée: et si les bactéries pouvaient être triées scientifiquement en utilisant leur matériel génétique, tel qu’exprimé dans l’ARN qui compose leurs ribosomes, les unités de production de protéines de la cellule? La plupart des mutations de l’ARN ribosomique sont catastrophiques pour la progéniture qui en hérite, étant donné l’importance cruciale des ribosomes pour maintenir une cellule en vie, et donc les changements dans l’ARN ribosomique ne se produisent que rarement. Mais au cours des plusieurs milliards d’années de vie microbienne sur Terre, ils se produisent, faisant de cette molécule une cible prometteuse pour juger des relations qui s’étendent dans le temps profond.

Après une dizaine d’années à diviser minutieusement l’ARN ribosomique en petits morceaux et à regarder ces morceaux triés sur des films photographiques découpés dans des boîtes à lumière — d’innombrables heures d’ennui alimentées par le Dr Pepper et des crises à un bar à menton Wo Woese était en bonne voie de fabriquer un arbre généalogique bactérien.

Ensuite, quelque chose d’inattendu s’est produit. Un collègue nommé Ralph Wolfe lui a suggéré d’essayer sa méthode sur un groupe inhabituel de bactéries qui fabriquaient le méthane. Bien qu’ils se présentent sous une variété de formes ressemblant à des pâtes, leur biochimie et leur métabolisme semblaient identiques. Cet extrait d’un article scientifique de 1997 de Virginia Morell capture le choc de ce qui s’est passé ensuite:

Mais lorsque Woese a étudié leurs séquences, les méthanogènes ne se sont pas enregistrés comme des bactéries. « Il leur manquait complètement les séquences oligonucléotidiques que j’en étais venu à reconnaître comme caractéristiques des bactéries”, explique-t-il. Pensant que l’échantillon avait été contaminé, il en a couru un nouveau. ”Et c’est alors que Carl est descendu dans le couloir, secouant la tête », dit Wolfe.  » Il m’a dit :  » Wolfe, ces choses ne sont même pas des bactéries. »Et j’ai dit: « Maintenant, calme-toi, Carl; sortez de l’orbite. Bien sûr, ce sont des bactéries; elles ressemblent à des bactéries. »Mais, comme Woese le savait maintenant, la morphologie des bactéries ne signifiait rien. Seules leurs molécules ont raconté l’histoire. Et les molécules proclamaient que les méthanogènes n’étaient pas comme les autres procaryotes ou eucaryotes — ils étaient quelque chose en eux-mêmes, une troisième branche de la vie.

Carl Woese en 2004. Creative Commons Don Hamerman. Cliquez sur l’image pour la licence et la source.

 » Wolfe, ces choses ne sont même pas des bactéries. »Quand j’ai lu cette phrase, un frisson m’a monté sur la colonne vertébrale. Seules quelques personnes sur Terre peuvent vivre une sorte de moment de levée de voile de cette ampleur – Einstein, Newton, Kepler, etc. Mais l’humble Carl Woese en était un autre. Il était tombé sur un nouveau monde courageux de microbes qui ressemblaient à des bactéries à nos yeux, mais qui étaient en fait si uniques biochimiquement et physiquement qu’ils se sont finalement révélés plus étroitement liés à nous qu’à eux. Il était tombé sur une toute nouvelle forme de vie, ici même sur Terre.

Carl Woese est décédé en décembre. 30. Woese reste peu connu, même parmi les biologistes non microbiens mais surtout auprès du public. Il a enduré une décennie ou plus de scepticisme, de ridicule et d’ostracisme avant que ses observations ne soient acceptées et a été profondément blessé par la réaction initiale; vous pouvez et devriez en savoir plus à ce sujet dans le reportage scientifique que j’ai extrait ci-dessus (accès payant requis). Ces dernières années, certains – dont le comité de rédaction de Nature Reviews Microbiology – ont fait pression pour que Woese reçoive le prix Nobel pour ses contributions. Maintenant, cela n’arrivera jamais *.

Mais Woese n’est pas le seul héros méconnu de cette histoire **. Les organismes qu’il a révélés – les archées – sont des créatures fascinantes et abondantes, mais ne sont presque jamais discutés en profondeur, même dans les limites des cours de microbiologie. C’est dommage. Les archées sont partout in dans les évents marins profonds, dans les salines, dans la glace, dans l’eau de mer, dans le sol et en vous. Et ils méritent une meilleure publicité.

Considérez les points intrigants suivants sur le troisième domaine:

Les archées Fabriquent l’ADN et l’ARN d’une Manière qui Nous Ressemble Which Ce Qui implique une Chose intéressante

À bien des égards, les archées nous ressemblent plus que les bactéries but mais il faut regarder de près pour le voir. « Nous » seraient les eucaryotes, les formes de vie qui abritent leur ADN dans des paquets appelés noyaux (parmi de nombreux autres traits). Le groupe comprend à peu près tout sauf les archées et les bactéries.

Les archées possèdent des ADN et des ARN polymérases – des enzymes qui répliquent l’ADN et l’ARN – qui ressemblent à des versions plus simples de celles que l’on trouve chez les eucaryotes. Et leurs chromosomes circulaires simples peuvent avoir plus d’une origine de réplication, comme les eucaryotes mais contrairement aux bactéries.

Afin de condenser suffisamment leur ADN pour rentrer dans une cellule, les bactéries utilisent une protéine appelée gyrase pour tordre leur ADN en bobines. Les archées le font aussi, mais elles enroulent également leur ADN autour de protéines appelées histones qui, encore une fois, ressemblent à des versions plus simples des histones autour desquelles les eucaryotes enroulent leur ADN. Autant que je sache, les bactéries ne possèdent pas d’histones.

Ces similitudes convaincantes – dont il y a plus de profondeur dans les mauvaises herbes biochimiques que j’omets pour l’espace – entre les cellules archéennes et eucaryotes ont conduit certains à suggérer qu’en plus de l’engloutissement bactérien / symbiose qui a créé les mitochondries et les chloroplastes, une autre symbiose ou chimérisme plus mystérieuse pourrait s’être produite entre un ancien archéon et une bactérie pour produire la première cellule proto-eucaryote. Ou cela peut suggérer que les eucaryotes ont en fait évolué à partir d’archées. C’est une idée vivement débattue, et pour laquelle vous verrez d’autres preuves ci-dessous.

Les revêtements extérieurs Archaïques Ne Ressemblent à Rien d’autre sur Terre

Les lipides membranaires bactériens et eucaryotes partagent la même structure générale (deuxième de la molécule supérieure ci-dessous): un groupe phosphate (vert) attaché à un glycérol (rouge) forme la tête du lipide, tandis que deux acides gras de la queue (rose). De plus, comme les bactéries, les têtes de glycérol de nos lipides sont liées à leurs queues d’acides gras par des liaisons ester (jaunes).

Les lipides de la membrane archéenne sont très, très différents des bactéries et des eucaryotes (molécule supérieure, ci-dessus). Les archées ont des queues constituées d’unités de l’isoprène chimique ramifié au lieu d’acides gras, et leurs queues à 20 carbones sont appelées groupes phytanyles (je nomme phytanyle pour Mot efficace de la Semaine). Ces queues lipidiques peuvent être ramifiées de manière encore plus complexe que ce qui est montré ci-dessus ou même incorporer des anneaux (voir ci-dessous) shapes des formes folles que les lipides membranaires bactériens et eucaryotes ne prennent jamais, pour autant que je sache.

Crenarchaeol, un lipide membranaire monocouche annelé et ramifié provenant d’un archéon. Domaine public.

Leurs queues de phytanyle sont principalement accrochées à leurs glycérols en utilisant des liaisons éther et non ester (voir 2 ci-dessus), qui résistent mieux à la destruction que les esters. Et leurs glycérols ont une maniabilité opposée aux glycérols de nos lipides membranaires (notez l’orientation miroir des lipides bactériens et archaïques sur la figure).

La mainmise moléculaire – la chiralité en chimie – n’est pas une chose changée facilement par l’évolution. Par exemple, la grande majorité des blocs de construction protéiques appelés acides aminés utilisés par la vie sur Terre sont exclusivement « gauchers ». Pourquoi? Personne ne le sait vraiment, bien que certains aient des suppositions. Une fois que les acides aminés gauches ont pris le relais, cependant, il n’y avait pas de retour en arrière biochimiquement the les enzymes ont été mises en place d’une certaine manière et c’était tout. Ainsi, que les enzymes archéennes et bactériennes utilisent des glycérols avec une main opposée implique que les bactéries et les archées se sont séparées il y a longtemps, il y a longtemps.

Certains lipides archéens ont une propriété rarement ou jamais observée chez les bactéries ou les eucaryotes. Les bactéries et les eucaryotes ont des membranes constituées de bicouches lipidiques qui s’écoulent l’une après l’autre (#9). Mais les queues de phytanyle archéennes peuvent être liées de manière covalente les unes aux autres pour former une monocouche lipidique (voir #10 et l’image du crénarchéol ci-dessus).Deux têtes ; un corps a une hydre membranaire.

Les queues de phytanyle ramifiées et réticulées et les monocouches lipidiques semblent toutes être des adaptations aux températures de brûlure. Ils peuvent aider à prévenir les fuites membranaires ou le décollement d’une bicouche dans les infernos aqueux et souvent acides dans lesquels vivent les archées hyperthermophiles.

Vous pouvez également observer que contrairement à la plupart de nos machines de fabrication de gènes et de protéines, nos lipides ressemblent beaucoup plus à des bactéries qu’à des archées. Est-ce là aussi la preuve d’un chimérisme ancien ?

L’absence mystérieuse de Parasites et d’Agents Pathogènes Archaïques

Aucune archée manifestement parasitaire ou pathogène n’a jamais été trouvée. Cela ne veut pas dire qu’ils n’existent pas. Les archées existaient bien avant que nous les trouvions, et maintenant nous voyons qu’elles sont partout. Plus à ce sujet dans une minute.

Mais c’est un point qui mérite d’être réfléchi (une question talmudique, a la Petites Choses Considérées?): pourquoi ne semble-t-il pas y avoir de parasites ou d’agents pathogènes évidents dans le domaine? Les bactéries et les eucaryotes ont engendré d’innombrables parasites désagréables, des syphillis aux punaises de lit, en passant par le gui et les escrocs nigérians de Craigslist, et il me semble très étrange qu’un domaine entier en soit dépourvu.

La chimie archéenne est-elle si unique qu’ils sont mal équipés pour vivre à l’intérieur d’organismes supérieurs ? Non, cela ne semble certainement pas être le cas, comme nous le verrons ci-dessous. Alors pourquoi ne sont-ils jamais passés du côté obscur ? Est-ce quelque chose de fondamental dans leur métabolisme ou leur chimie?

La chose la plus proche que nous ayons trouvée d’un archéon potentiellement pathogène ou parasite est Nanoarchaeum equitans, l’une des plus petites cellules du monde. On le trouve dans les cheminées hydrothermales partout, du sommet des continents – comme la piscine d’Obsidienne à Yellowstone – aux profondeurs des océans – comme la Dorsale médio-océanique près de l’Islande et sous l’océan Arctique, une distribution qui vaut en soi la peine d’être réfléchie pour ce que cela implique.

Partout où il se trouve, il vit exclusivement à la surface d’un archéon beaucoup plus grand, Ignicoccus. Jusqu’à 10 N. les équitans peuvent recouvrir la surface d’un Ignicoccus individuel. Le Nanoarcheum ne peut pas synthétiser les lipides, la plupart des nucléotides (les éléments constitutifs de l’ADN et de l’ARN) ou les acides aminés. Il faut les prendre (les voler? les échanger ?) d’Ingnicoccus.

Mais contrairement à d’autres parasites microbiens, N. equitans possède tout le nécessaire pour réparer son propre ADN et effectuer la synthèse de l’ADN, de l’ARN et des protéines. Bien qu’il ne puisse clairement pas vivre sans Ignicoccus, on ne sait toujours pas s’il s’agit d’un symbiote ou d’un parasite.

Cette absence de méchancetés évidentes ne signifie pas non plus que les archées sont * libres* de parasites ou d’agents pathogènes. Au contraire, beaucoup de choses consomment des archées, et les archées hébergent tout un éventail de virus à ADN de forme unique (broches, cannes et gouttes) qui prospèrent dans les mêmes environnements infernaux que ceux qui peuvent reproduire des archées.

Voici un archéon appelé Sulfolobus provenant d’une source chaude en Chine arborant plusieurs virus à ADN en forme de fuseau:

L’archéon hyperthermoacidophile Sulfolobus tengchongensis et son parasite en forme de fuseau, le virus STSV1

L’étrange manque d’agents pathogènes archéens peut également avoir contribué à la difficulté de Woese à remporter le Nobel. Ce n’est pas le Prix Nobel de Biologie, c’est le Prix Nobel de Physiologie ou de Médecine. Et sans maladies archéennes évidentes, le cas de son prix serait nécessairement indirect.

Les archées sont partout

Lorsque les archées ont été dévoilées au monde, elles ont été pendant de nombreuses années considérées comme des bizarres extrémophiles. Ils vivaient dans des endroits comme les salines, les cheminées hydrothermales, les piscines acides chaudes et les tourbières infestées de méthane. Ce n’étaient pas des microbes normaux.

Et dans de nombreux cas, c’est vrai, de manière étonnamment merveilleuse. Nous avons découvert des archées carrées et plates qui se divisent en feuilles comme des timbres-poste vivant dans des marais salants. Ils utilisent des protéines appelées (eronely, évidemment) bactériorhodopsines qui sont structurellement et fonctionnellement similaires – bien qu’elles aient évolué de manière totalement indépendante – à la protéine de l’œil des vertébrés, la rhodopsine, pour produire de l’énergie à partir de la lumière. D’autres espèces de ces archées aimant le sel se présentent sous une variété de formes polyédriques en plus des carrés, et changent parfois de forme d’une génération à l’autre.

Un timbre-poste comme une feuille des cellules carrées de Halquadratum walsbyi. Domaine public. Cliquez sur l’image pour la source.

Et puis il y a la souche 121, nommée pour sa capacité non seulement à survivre, mais à se reproduire à 121C, la température de destruction des équipements de laboratoire et de stérilisation médicale. Avant sa découverte, on ne pensait aucune cellule capable de survivre 15 minutes dans l’anneau de température de maintien 121C des autoclaves. La souche 121 peut survivre à des températures allant jusqu’à 130C et des expériences suggèrent qu’il peut y avoir des espèces archées pouvant tolérer des températures de 140 à 150C. De peur que vous ne l’oubliiez, l’eau bout à 100C.

Mais les archées sont difficiles à cultiver en laboratoire (comme la grande majorité des microbes). Et s’il y en avait plus là-bas, cachés, encore une fois, à la vue?

Lorsque nous avons commencé à chercher de l’ADN archéen sans nous soucier de trouver les corps, nous avons découvert les microbes pratiquement partout où nous regardons. Cela inclut les endroits « normaux » comme l’eau de mer et les sédiments océaniques, le sol et l’intestin et le vagin des mammifères. Ils peuvent représenter 40% de la biomasse microbienne en haute mer (les bactéries sont encore plus nombreuses qu’environ 3 à 1) et peuvent représenter 20% de la biomasse totale de la Terre. Malgré leur réputation d’épris de chaleur, les Archées apparaissent également dans des endroits très froids, comme l’eau de mer et la glace de l’Arctique.

À notre grande surprise, nous avons trouvé des archées filamenteuses de très grande taille presque assez grandes pour être vues à l’œil nu vivant sur les racines des mangroves. Nous avons trouvé des archées méthanogènes qui interagissent avec les protozoaires dans les entrailles des vaches et des termites pour aider ces organismes à décomposer la cellulose en énergie. Nous avons même trouvé un archéon qui vit en symbiose avec of de toutes choses a une éponge.

Il ne fait aucun doute que beaucoup d’autres créatures étranges et merveilleuses apparaîtront une fois que nous commencerons à associer les microbes à leurs séquences d’ADN if si seulement nous nous soucions de regarder.

* Les prix Nobel ne sont pas décernés à titre posthume, bien qu’ils aient fait une exception l’année dernière dans un cas remarquable.