Les êtres vivants s'épanouissent aujourd'hui sur Terre sous des formes tellement variées, qu'il est bon parfois de se rappeler qu'il n'en a pas toujours été ainsi. Pour arriver à une telle diversité, les organismes ont évolué, en suivant des scénarios différents, depuis un ancêtre commun universel, dénommé Luca pour Last Universal Common Ancestor. Cette cellule ancestrale aurait existé entre -3,8 et -3.5 milliards d'années, avant que sa lignée ne se sépare pour donner naissance aux trois domaines du vivant : les bactériesbactéries, les archéesarchées et enfin les eucaryoteseucaryotes, auxquels nous appartenons.

L'histoire est belle mais ne nous dit ni comment la spéciationspéciation, c'est-à-dire la séparationséparation de la lignée ancestrale en plusieurs branches, a eu lieu, ni à quoi ressemblait exactement Luca. D'après le scénario faisant actuellement consensus au sein de la communauté scientifique, la lignée des bactéries aurait divergé en premier, tandis qu'une autre lignée aurait donné par la suite les archées et les eucaryotes. Quant à Luca, il a certes disparu, mais certains de ses caractères survivent encore dans le génomegénome de ses descendants. Les chercheurs peuvent donc essayer de le reconstituer en remontant l'arbre du vivant.

Pour leur part, des chercheurs néerlandais à l'université de Groningue et à l'université de Wageningue, Antonella Caforio et ses collègues, ont reconstitué un hypothétique Luca en laboratoire. Ils ont créé un nouvel organisme à partir d'une bactérie Escherichia coliEscherichia coli, dont la membrane cellulairemembrane cellulaire est constituée d'un mélange de deux types de lipideslipides, ceux trouvés dans la membrane des bactéries et ceux des archées, respectivement. Cet exploit, qui apporte de nouvelles précisions sur la nature de Luca et sur les causes à l'origine de la spéciation, a fait l'objet d'une publication dans les Pnas.

Les bactéries génétiquement modifiées (à droite) ont une forme plus allongée que les bactéries E. coli initiales (à gauche). Les images sont obtenues au microscope électronique à balayage. © University of Wageningen/Van der Oost Laboratory

La réplique de Luca a une membrane cellulaire inédite

« Une des principales différences entre bactéries et archées concerne la composition de leur membrane, », expliquent les chercheurs dans leur article. Les lipides des membranes bactériennes sont constitués d'acides grasacides gras reliés par liaison esterliaison ester à un squelette de glycérolglycérol-3-phosphate, alors que les lipides des membranes archéennes sont constituées de terpénoïdesterpénoïdes reliés par liaison ester à un squelette de glycérol-1-phosphate.

L'hypothèse étudiée par les chercheurs veut que la membrane cellulaire de Luca contienne ces deux lipides à la fois. Une telle membrane hybride serait instable par rapport à une membrane homogène, ce qui occasionnerait nécessairement une séparation de la lignée ancestrale en deux lignées, chacune héritant d'une membrane stable composée d'un seul type de lipide.

Pour tester cette hypothèse, les chercheurs ont créé une réplique de ce Luca en modifiant génétiquement une bactérie E. coli, afin de lui faire exprimer des gènesgènes codant pour la synthèse de lipides archéensarchéens. Ils sont parvenus à obtenir une cellule dont la membrane contient jusqu'à 30 % de lipides archéens, alors que de précédents essais, réalisés par d'autres chercheurs, n'atteignaient même pas les 1 %. Les secrets de leur réussite : ils ont identifié une enzymeenzyme cruciale pour la production de lipides archéens et ont réussi à augmenter la production de terpénoïdes dans E. coli.

Des irrégularités sont observées au niveau de la membrane cellulaire des bactéries génétiquement modifiées (à droite), lorsque la production de lipides archéens est trop importante. À titre de comparaison, la membrane des bactéries E. coli normales (à gauche) est lisse. Les images sont obtenues au microscope électronique à balayage. © University of Wageningen/Van der Oost Laboratory

La bactérie modifiée, bien que plus allongée que E. coli normale, est viable et grandit à une vitessevitesse normale. Les chercheurs ont d'ailleurs constaté avec surprise que la membrane lipidique hybride est stable, contrairement à l'hypothèse émise au départ. La cellule bénéficie même d'une résistancerésistance accrue aux températures élevées, au butanol et à la congélation, par rapport à des bactéries normales. Cependant, quand la cellule produit des lipides archéens à un rythme trop élevé, sa croissance ralentit et des irrégularités se forment au niveau de la membrane.

Les chercheurs précisent que les résultats de l'expérience restent sujet à caution, car ils l'ont réalisée sur E. coli moderne (forcément), mais ils suggèrent qu'une autre hypothèse pour expliquer la divergence évolutive entre les branches du vivant doit être trouvée. Leur méthode, consistant à faire exprimer des gènes archéens dans les bactéries, pourrait également servir pour étudier les protéinesprotéines membranaires, notamment chez des organismes hyperthermophiles, des extrêmophilesextrêmophiles vivant dans des conditions de très hautes température et pressionpression et qui sont en majorité des archéens.

Luca, le père de nos pères, préférait l’ARN à l'ADN

Article de Jean EtienneJean Etienne, publié le 19/12/2008

Les premières formes de vie sur Terre auraient été composées d'ARN et non d'ADN, selon une étude récemment publiée par des chercheurs du CNRS et des universités de Lyon et de Montréal. Ce monde à ARN se serait formé dans des milieux à température modérée.

L'arbre phylogenetique de la vie, basé sur une origine ARN proposé par Carl Woese dès 2006 et montrant la séparation entre bacteries, archées et eucaryotes. Source : NASA Astrobiology Institute

Faute de traces fossilesfossiles, les premiers instants de la vie cellulaire sur Terre restent mystérieux. L'une des méthodes consiste à partir de la structure génétiquegénétique des organismes actuels et de tenter de retracer l'histoire évolutive en remontant le temps. On peut ainsi espérer aboutir au dernier ancêtre commun de tous les êtres vivants actuels, baptisé Luca (acronyme de Last Universal Common Ancestor).

Une hypothèse classique fait de ce Luca un organisme thermophile, c'est-à-dire vivant en milieu très chaud, ou même hyperthermophile. Ses descendants se seraient ensuite progressivement adaptés à de plus basses températures. Une autre décrit un monde primitif où les organismes auraient utilisé l'ARN (acide ribonucléiqueacide ribonucléique) pour enregistrer l'information génétique et non pas l'ADN (acide désoxyribonucléiqueacide désoxyribonucléique). Mais l'ARN est plus fragile et se dégrade facilement quand la température est élevée...

Cette hypothèse du « monde à ARN » vient d'être relancée par le bioinformaticien Samuel Blanquart (CNRS), le biochimistebiochimiste Nicolas Lartillot (CNRS, université de Montréal), Manolo Gouy (directeur de recherche CNRS, Laboratoire de BiométrieBiométrie et Biologie Evolutive à l'université de Lyon et leurs collaborateurs. Leur étude vient de paraître dans la revue Nature.

Comparaison entre une molécule d'ARN (à gauche) et d'ADN (à droite). Source : GNU Free Documentation License

Une nouvelle clé pour expliquer l’évolution

Selon Nicolas Lartillot, l'ancêtre de toute vie sur Terre, apparu voici 3,8 milliards d'années, n'était pas l'organisme que l'on se plaît à imaginer. L'équipe a comparé l'information génétique des organismes modernes afin d'en extraire les points communs et pouvoir caractériser l'ancêtre primordial de toute forme de vie sur Terre. « Notre recherche s'apparente à l'étude étymologique des langues modernes, résume Nicolas Lartillot, nous tentons d'élucider les fondements de leur évolution. Nous avons identifié les caractères génétiques communs entre les animaux, les végétaux, les bactéries, à partir de quoi nous avons construit un arbre de la viearbre de la vie dont les ramifications représentent des espècesespèces distinctes. Elles proviennent toutes d'un tronc commun, Luca en l'occurrence, dont nous nous sommes efforcés d'établir plus à fond la composition génétique. »

L'étude de l'ARN ribosomal de Luca penche en faveur d'une hypothèse non thermophile. Selon les chercheurs, les séquences de l'ARN et des protéines ont évolué de façon indépendante et spécifique à deux environnements de températures différentes.

Luca, affirment ces chercheurs, a pu se développer dans un microclimatmicroclimat plus froid, puis des microdomaines environnementaux ont pu jouer un rôle déterminant dans la diversification des organismes.

« Ce n'est qu'après que les descendants de Luca ont découvert la moléculemolécule plus thermostablethermostable de l'ADN, qu'ils ont acquise indépendamment (probablement issue d'un virus) et qu'ils l'ont utilisée à la place de l'ancien support plus fragile constitué d'ARN, affirme le professeur Lartillot. Cette transformation leur a permis de s'éloigner de leur petit microclimat froid, d'évoluer et de se diversifier en une variété d'organismes sophistiqués capables de tolérer la chaleurchaleur. »