Cultivés au Japon, les plus proches parents de la vie complexe n’ont pas de noyau

Les plus proches parents vivants de tous les animaux, plantes et champignons sur Terre poussent désormais dans un laboratoire au Japon, et ils ne ressemblent en rien à l’ancêtre que de nombreux biologistes s’étaient imaginé. Une équipe du JAMSTEC, l’Agence japonaise des sciences et technologies marines et terrestres, a cultivé les premières souches pures d’Heimdallarchaeia, un groupe d’archées unicellulaires dont on pense que les cellules complexes sont issues. À l’intérieur, les cellules sont simples : pas de noyau, pas de compartiments internes, rien qui ressemble aux organites qui définissent nos propres cellules.

La surprise se trouve à l’extérieur. Chaque cellule émet de longs bras ramifiés qui agrippent les microbes partenaires sans lesquels elle ne peut pas vivre, et les cellules dépérissent lorsqu’elles sont exposées à l’oxygène, bien qu’elles portent des gènes pour le gérer. Ensemble, ces traits brossent le portrait de notre plus lointain ancêtre unicellulaire : un microbe lent, fuyant l’oxygène et vivant en symbiose, et non une version miniature de la cellule complexe qu’il deviendrait un jour.

Cette découverte touche à l’une des plus vieilles questions de la biologie : comment une cellule simple sans noyau s’est transformée en la cellule eucaryote élaborée qui constitue le corps humain. La réponse dominante veut qu’une archée ait formé un partenariat étroit avec une bactérie, et que cette bactérie ait fini par être engloutie pour devenir la mitochondrie, la centrale énergétique de nos cellules. Quelle lignée d’archées a joué le rôle d’hôte et à quoi elle ressemblait a été débattu pendant des années, principalement à partir de fragments d’ADN extraits de la boue et de l’eau de mer.

Les Heimdallarchaeia sont au cœur de ce débat. Elles appartiennent à l’embranchement des Promethearchaeota, mieux connu sous son ancien nom d’archées d’Asgard, et les arbres génétiques les placent comme la branche archéenne la plus proche des eucaryotes. Jusqu’à présent, personne n’en avait vu une vivante de près, de sorte que les hypothèses selon lesquelles elles possédaient déjà des structures internes complexes ou pouvaient respirer l’oxygène comme nous reposaient uniquement sur des lectures de génomes.

Comment ils ont fait

Les microbes proviennent d’un endroit inhabituel : un biofilm tapissant l’intérieur d’un puits de gaz naturel sur la péninsule de Boso, dans la préfecture de Chiba, à l’est de Tokyo. Des eaux souterraines salées et riches en méthane y remontent et entrent périodiquement en éruption comme un petit geyser, de sorte que le film est régulièrement exposé à l’air. L’équipe a choisi ce site délibérément, espérant capturer des parents d’eucaryotes ayant une certaine histoire avec l’oxygène.

Il a fallu trois ans pour les cultiver. Les chercheurs ont nourri les cultures avec de minuscules quantités d’aliments riches en protéines, notamment des acides casaminés, de la peptone et du lait en poudre, et ont utilisé des cycles d’antibiotiques pour tuer les bactéries concurrentes, transférant les survivants dans un milieu frais encore et encore. Le résultat a été deux souches, nommées HC1 et SC1. HC1 vit désormais en couple stable avec un seul microbe partenaire producteur de méthane ; SC1 vit en trio avec deux de ces partenaires.

Ce ne sont pas des organismes à croissance rapide. HC1 met environ une semaine ou plus pour doubler, et SC1 deux à trois semaines. Une bactérie intestinale comme E. coli peut doubler en environ 20 minutes. L’équipe a ensuite examiné les cellules au microscope électronique à balayage et à transmission, par cryo-tomographie électronique qui reconstruit une cellule congelée en 3D, et par marquage fluorescent, et a séquencé les deux génomes, qui se sont révélés compter 7,91 et 6,75 millions de lettres d’ADN.

Simple à l’intérieur, occupée à l’extérieur

Sur des dizaines de micrographies électroniques, aucune des deux souches n’a montré de membrane interne permanente, la caractéristique des cellules eucaryotes. Quelques cellules contenaient de petites structures ressemblant à des bulles qui apparaissaient et disparaissaient, mais pas de noyau, pas de réticulum endoplasmique et rien qu’un biologiste cellulaire appellerait un organite. Les cellules se divisent en deux comme des microbes ordinaires.

Leurs surfaces racontaient une histoire différente. Après une phase de croissance, la plupart des cellules étendaient plusieurs bras d’environ 370 nanomètres d’épaisseur qui se ramifient et gonflent, et ces bras contenaient souvent plus de volume que le corps cellulaire lui-même, environ 1,4 fois plus en moyenne. Les bras étaient parsemés de filaments ressemblant à l’actine, la protéine qui donne leur forme à nos propres cellules, et ils s’accrochaient physiquement aux microbes partenaires. Les cellules en cours de division n’en avaient jamais.

Ce partenariat n’est pas facultatif. Les deux souches décomposent des fragments de protéines et libèrent de l’hydrogène comme déchet, une réaction qui s’arrête à moins qu’un partenaire n’élimine constamment l’hydrogène. Lorsque les chercheurs ont bloqué les partenaires producteurs de méthane avec un inhibiteur, les archées ont complètement cessé de croître.

Un autre trait a attiré l’attention de l’équipe. Lorsque HC1 recevait plus de nourriture, elle ne se divisait pas plus vite. Au lieu de cela, ses cellules grossissaient et émettaient davantage de bras. L’imagerie à grande échelle d’environ 15 000 cellules a montré des bras plus grands et plus nombreux par cellule, et la quantité de protéines par cellule est passée de 66 à 226 femtogrammes. Les bactéries et archées typiques consacrent l’énergie supplémentaire à la reproduction. Échanger la taille contre la reproduction est, notent les auteurs, quelque chose que font les eucaryotes.

L’énigme de l’oxygène

HC1 porte des gènes pour les oxydases terminales, des enzymes qui, chez les animaux, se situent à l’extrémité de la chaîne qui brûle l’oxygène pour produire de l’énergie. Certains chercheurs avaient interprété des gènes similaires dans l’ADN des Heimdallarchaeia comme un signe que l’ancêtre des eucaryotes respirait déjà l’oxygène. Les cultures disent le contraire. L’ajout d’oxygène, même à l’état de traces, ou d’une atmosphère à 1 % d’oxygène, a réduit le nombre de cellules de HC1 d’environ cent fois.

HC1 ne pouvait survivre à l’oxygène qu’avec de l’aide. Lorsque des bactéries consommatrices d’oxygène, isolées à partir de l’enrichissement original, ont été ajoutées à la culture, HC1 a poussé malgré de faibles niveaux d’oxygène, bien qu’elle n’ait pas produit plus de cellules qu’auparavant. Son génome manque également de la machinerie nécessaire pour acheminer les électrons de la nourriture vers l’oxygène. L’équipe conclut que les oxydases fonctionnent comme une défense, en éliminant l’oxygène, un peu comme chez d’autres anaérobies stricts. La ferritine, une protéine qui limite les dommages causés par l’oxygène impliquant le fer, figurait parmi les trois protéines les plus exprimées chez HC1.

Un test à l’échelle du génome allait dans le même sens. Les chercheurs ont entraîné un classifieur sur des enzymes qui distinguent les organismes ayant besoin d’oxygène de ceux qui l’évitent, et il a correctement trié les microbes connus dans environ 95 % des cas. Appliqué à l’ensemble de l’embranchement des Asgards, il a désigné le groupe comme largement anaérobie, avec ou sans gènes d’oxydase.

Cela correspond à une idée connue sous le nom de modèle Ox-Tox : la bactérie qui est devenue la mitochondrie a d’abord gagné sa place en absorbant l’oxygène toxique pour son hôte archéen, bien avant de devenir le fournisseur d’énergie de la cellule.

Ce que cela ne règle pas

Ces microbes sont des cousins de l’ancêtre, pas l’ancêtre lui-même. Ils ont eu autant de temps pour évoluer que nous, environ deux milliards d’années selon la plupart des estimations, et tout trait observé aujourd’hui peut avoir été acquis ou perdu en cours de route. La propre analyse de l’équipe suggère que les gènes de gestion de l’oxygène ont circulé latéralement entre groupes apparentés, de sorte que la question de savoir si l’ancêtre les portait ou non reste ouverte.

L’échantillon est également restreint. Seules trois souches de cette branche de l’arbre ont été examinées au microscope : HC1, SC1 et une culture d’enrichissement rapportée plus tôt par un autre groupe. Les trois manquent d’organites, mais une lignée aussi diversifiée pourrait inclure des membres aux intérieurs plus élaborés. Les bulles internes occasionnelles dans certaines cellules n’ont pas encore d’explication, et les auteurs ne les qualifient ni d’organites primitifs ni d’artefacts.

Les conditions de laboratoire comptent aussi. Les formes des cellules changeaient lorsque les cellules étaient chimiquement fixées pour l’imagerie, et les bras avaient tendance à se briser, un avertissement que les auteurs eux-mêmes signalent concernant la lecture de l’anatomie à partir d’échantillons préservés. Les cultures sont des paires et des trios avec des partenaires, et non des cultures d’espèces uniques, car les archées ne peuvent pas pousser seules.

Une lignée désormais ouverte aux expériences

Le groupe du JAMSTEC a cultivé le premier membre du groupe plus large des Asgards, une souche appelée MK-D1 provenant de sédiments des grands fonds, et l’a rapportée en 2020. En 2023, une équipe à Vienne a décrit une seconde, Lokiarchaeum ossiferum, avec des bras similaires. Les nouvelles souches appartiennent à la branche la plus proche des eucaryotes, poussent plus vite que MK-D1 et ont des cellules plus grandes, ce qui les rend bien plus faciles à étudier.

L’équipe a proposé des noms pour les deux : Candidatus Margulisarchaeum peptidiphilum pour HC1, un nom de genre portant le nom de famille de Lynn Margulis, la biologiste qui a défendu la théorie selon laquelle les mitochondries ont commencé comme des bactéries capturées, et Candidatus Flexarchaeum multiprotrusionum pour SC1.

Questions fréquentes sur les archées à l’origine de la vie complexe

Que sont les archées d’Asgard ?

Les archées d’Asgard, désormais officiellement appelées Promethearchaeota, sont un groupe de microbes unicellulaires d’abord identifiés à partir d’ADN environnemental, nommés d’après la mythologie nordique. Leurs génomes portent de nombreux gènes autrefois considérés comme uniques aux eucaryotes, ce qui explique pourquoi elles sont considérées comme la lignée dont sont issues les cellules complexes.

Les humains ont-ils évolué à partir des archées ?

Dans un sens profond, oui. Le modèle dominant veut que la première cellule eucaryote se soit formée lorsqu’une archée apparentée aux Heimdallarchaeia d’aujourd’hui s’est associée à une bactérie qui est devenue la mitochondrie. Chaque animal, plante et champignon descend de cette cellule fusionnée.

Les Heimdallarchaeia ont-elles un noyau ?

Non. Les souches cultivées HC1 et SC1 n’ont pas de noyau ni de membranes internes permanentes. Leur complexité se trouve à l’extérieur, dans de longs bras ramifiés qui se connectent aux microbes partenaires.

Ces archées peuvent-elles vivre avec de l’oxygène ?

À peine. Elles sont anaérobies et leur nombre chute d’environ cent fois en présence d’oxygène à l’état de traces, mais une souche a survécu à un faible taux d’oxygène lorsque des bactéries consommatrices d’oxygène partageaient sa culture.

L’étude a été publiée dans Nature le 28 octobre 2026 et a d’abord été diffusée comme prépublication en février 2025. Le JAMSTEC indique que les deux souches serviront désormais de modèles expérimentaux, l’équipe se tournant vers leurs structures cellulaires et la manière dont elles se lient aux microbes partenaires pour retracer comment une cellule d’archée avec des bras à l’extérieur a fini par construire un noyau à l’intérieur.

Référence : Imachi, Nobu et al., « Eukaryotes’ closest relatives are internally simple syntrophic peptidotrophic archaea, » Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11170-7

Étiquettes: archées, Asgard archaea, biologie cellulaire, eucaryotes, évolution, Heimdallarchaeia