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Nouvelle hypothèse concernant l'origine des cellules complexes ou eucaryotes

Le mystère demeure relativement aux causes de l'apparition de cellules complexes dites eucaryotes à partir de cellules simples dites procaryotes.

Ceci serait intéressant à comprendre, du fait que les humains d'aujourd'hui comme les plantes sont constitués de milliards d'eucaryotes. Mais il faut rappeler que les organismes complexes tels que les humains hébergent aussi d'autres milliards de procaryotes, sous forme de virus et microbes.

L'hypothèse jusqu'ici admise est que les eucaryotes sont apparus il y a environ 1,5 milliards d'années, soit près d'un milliard d'années après l'apparition sur Terre des premiers organismes procaryotes. Mais par mécanisme sont-ils apparus ? On admet généralement qu'il s'est agi d'une ou plusieurs mutations ayant affecté les procaryotes primitifs et qui se sont rapidement répandues et complexifiés du fait des avantages évolutionnaires en terme d'adaptation qu'elles ont dès l'origine permis aux nouveaux eucaryotes.

Rappelons que la cellule des organismes eucaryotes (animaux, plantes, champignons) se distingue de celle des organismes procaryotes (Archées et Bactéries) par la présence de différents organites spécialisés, comme le noyau (contenant l'information génétique de la cellule), la mitochondrie (siège de la respiration cellulaire), ou le chloroplaste (siège de la photosynthèse chez les végétaux). L'existence et l'organisation de l'ADN des mitochondries et des chloroplastes, ainsi que leur biochimie et certains traits structuraux, ont conduit à les considérer comme d'anciennes bactéries intégrées dans une cellule hôte par un processus d'endosymbiose.

Une des hypothèses possibles serait que les eucaryotes actuels descendraient d'un ancêtre Archée ayant acquis une protéobactérie, qui serait devenue la mitochondrie. Une fois cette étape établie, certaines cellules auraient intégré des cyanobactéries à l'origine du chloroplaste. De ce fait, elles ont acquis la capacité d'effectuer la photosynthèse, et donc un métabolisme dit autotrophe. L'autotrophie est la production, par un organisme vivant, de matière organique par réduction de matière inorganique et matière minérale. Ce mode de nutrition caractérise les végétaux chlorophylliens (verts), les cyanobactéries et les bactéries sulfureuses.

Tout au long du processus, des phénomènes de transferts de gènes ont étroitement intégré ces procaryotes au sein de la cellule hôte. Le phénomène d'endosymbiose est donc très largement responsable de la biodiversité des eucaryotes apparus au cours de l'évolution. Ainsi, la photosynthèse s'est développée dans une grande diversité d'organismes : algues rouges et vertes, plantes vertes grâce à des endosymbioses primaires, algues brunes et de très nombreux autres organismes, grâce à des endosymbioses secondaires ou tertiaires.

Mais pourquoi aux origines certains procaryotes en ont-il intégré d'autres, notamment les mitochondries, leur permettant d'acquérir la capacité de se complexifier de plus en plus et de devenir les eucaryotes d'aujourd'hui ?

Une réponse possible 

Dans un tout récent document référencé ci-dessous, une équipe de biologistes propose une réponse.

En 2010 des chercheurs avaient remonté du fond de l'océan arctique, dans la proximité d'un évent hydrothermal nommé Loki'Castle. un échantillon de sédiments produit d'un sondage. L'étude microscopique de celui-ci a révélé en 2015 la présence d'un microorganisme jusqu'ici inconnu présent dans la boue du sédiment. C'était une archée, cellule primitive qui s'est développée à partir des bactéries. Mais cette archée a montré qu'elle comportait des gènes, supposés jusqu'à ce jour n'appartenir qu'aux eucaryotes. L'équipe a nommé cet organisme Lokiarchaeota. Depuis l'équipe a identifié d'autres archées identiques qu'elle a nommé Asgard archaea. Les chercheurs supposent que de telles archées pourraient être à l'origine des premiers eucaryotes. Elles auraient absorbé des bactéries et auraient acquis une complexité suffisante pour devenir des eucaryotes.

Personne cependant à ce jour n'avait observé une Asgard archaea vivante. Cependant en 2006 une équipe de chercheurs japonais appartenant à la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology avait entrepris l'étude d'un échantillon de sédiment prélevé en mer du Japon dans un fond de 2.533 m. Pour cela, ils avaient entrepris d'obtenir des microorganismes à partir de cet échantillon placé dans un incubateur. Ayant entendu parler de l'Asgard archaea, ils ont réussi à en obtenir des exemplaires vivants à partir de cet échantillon. Ils l'ont nommé  Prometheoarchaeum syntrophicum, l'ont photographié et étudié son comportement.

Deux points leur sont apparus significatifs.  Prometheoarchaeum ne peut survivre par lui-même. Il doit se développer en présence d'une autre archeae dite Methanogenium  et d'une bactérie nommée Halodesulfovibrio. On parle en ce cas de syntrophes. Les syntrophes se nourrissent à partir des déchets que chacun d'eux produit et rejette. L'Asgard archaea initiale aurait pu incorporer dans sa cellule des microbes syntrophes vivant à ses côtés. Ceci est d'autant plus vraisemblable qu'elle vivait dans des boues riches en matière organique mais pauvres en oxygène.

Par ailleurs  Prometheoarchaeum présente une forme rare chez des archeae. Il dispose de longs bras, comme des tentacules. Dans ces tentacules vivent des microbes partenaires. Pour les chercheurs japonais, le Prometheoarchaeum origine aurait pu fusionner ces tentacules en un organisme unique incorporant diverses bactéries, ce qui aurait donné naissance à un premier procaryotes. Mais pour le prouver ils devront étudier d'autres Asgard archaean pour vérifier qu'ils pourraient à leur tour acquérir cette caractéristique.

Si c'était le cas, cela prouverait que les premiers eucaryothes ne sont pas apparus par hasard, mais en fonction d'une logique évolutive leur étant propre. Rien n'empêcherait par ailleurs de penser que d'autres ont suivi celle logique évolutive, mais que les plus efficaces ont éliminé les autres.

Références Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/726976v1

Abstract

The origin of eukaryotes remains enigmatic. Current data suggests that eukaryotes may have risen from an archaeal lineage known as “Asgard archaea”. Despite the eukaryote-like genomic features found in these archaea, the evolutionary transition from archaea to eukaryotes remains unclear due to the lack of cultured representatives and corresponding physiological insight. Here we report the decade-long isolation of a Lokiarchaeota-related Asgard archaeon from deep marine sediment. The archaeon, “Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum strain MK-D1”, is an anaerobic, extremely slow-growing, small cocci (∼550 nm), that degrades amino acids through syntrophy. Although eukaryote-like intracellular complexities have been proposed for Asgard archaea, the isolate has no visible organella-like structure. Ca. P. syntrophicum instead displays morphological complexity – unique long, and often, branching protrusions. Based on cultivation and genomics, we propose an “Entangle-Engulf-Enslave (E3) model” for eukaryogenesis through archaea-alphaproteobacteria symbiosis mediated by the physical complexities and metabolic dependency of the hosting archaeon.

Voir aussi Newscientist 9 août 2019

 https://www.newscientist.com/article/2213037-deep-sea-microbe-could-answer-one-of-evolutions-biggest-mysteries/#ixzz5wSurArHn

 

13/08/2019
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