• 1 Je raconte cette histoire en détail dans mes ouvrages « Microbes de l’enfer » aux éditions Belin (2 (...)

1La communauté de recherche sur les archées en France regroupe une vingtaine d’équipes. Sa petite taille reflète la situation au niveau international où les recherches sur les archées restent très minoritaires, à l’exception sans doute de l’Allemagne. C’est le microbiologiste allemand Otto Kandler, qui a eu connaissance du concept d’archée au moment même de son élaboration en visitant le laboratoire de Carl Woese aux USA. O. Kandler, déjà très connu à l’époque, a ensuite rapidement convaincu Wolfram Zillig et d’autres biochimistes allemands de se consacrer aux archées dès le début des années 19801. Lorsque j’ai découvert le concept d’archée en 1983, j’étais encore un débutant et je n’ai pas pu avoir le même impact sur mes collègues de l’époque. C’est à ma rencontre en 1989 avec le microbiologiste Daniel Prieur (figure 1), lors d’un congrès sur les « extrêmophiles » au Portugal, que je ferais remonter la naissance d’une communauté de recherche sur les archées en France. Cette rencontre a en particulier abouti à faire de Pyrococcus abyssi (la coque brûlante des abysses) une souche modèle pour une bonne partie de cette communauté (figure 2).

• 2 L’étude directe de la topologie du chromosome est beaucoup plus difficile à réaliser et n’a toujour (...)
• 3 Voir l’article I de cette série : I : Les archées : une mine d’or pour l’étude des ADN topoisoméras (...)
• 4 Voir « A tribute to Michel Duguet » Biochimie, 2007, v89, pp423-426.

3Un résultat marquant de notre collaboration fut l’isolement du premier plasmide d’un hyperthermophile, le plasmide pGT5 de P. abyssi. En utilisant ce plasmide comme rapporteur pour étudier la topologie de l’ADN intracellulaire2, un doctorant de BMGE, Franck Charbonnier, a pu montrer que l’ADN des archées hyperthermophiles était relâché et non pas surenroulé négativement, comme celui des bactéries possédant la gyrase3 (1). La souche de P. abyssi GE5 avait été isolée et caractérisée par un doctorant de D. Prieur, Gael Erauso, à partir d’échantillons de cheminées hydrothermales récupérés par deux mille mètres de profondeur dans l’océan Pacifique (2). A la fin des années 1990, Jean Weissenbach, qui avait pris la direction du Centre national de séquençage (CNS) qui venait d’être créé, choisit comme premier génome à séquencer – pour se faire la main - celui de P. abyssi. Un de mes souvenirs les plus chers restera l’annotation de ce génome en collaboration avec George Cohen, quatre-vingt ans à l’époque, qui allait signer en premier auteur l’article sur ce génome (3). Signant moi-même en dernier auteur, j’aimais imaginer que George Cohen aurait pu être mon thésard ou mon « post-doc » ! Ma collaboration avec le CNS s’est poursuivie avec le séquençage de Thermococcus gammatolerans, une autre archée hyperthermophile isolée par l’équipe de D. Prieur et dont la résistance aux rayonnements ionisants est du même ordre que celle de la bactérie Deinococcus radiodurans (4, 5). J’ai pu obtenir un financement pour étudier la physiologie de cette archée radiorésistante grâce au programme inter-organismes piloté par le CEA et le CNRS appelé TOXNUC (TOXicologie NUCléaire). Cette étude a été réalisée dans l’équipe que venait de mettre en place Fabrice Confalonieri à Orsay à la suite du décès de Michel Duguet4 (6) et s’est poursuivie en collaboration avec l’équipe de Jean Armangaud au CEA.

• 5 IFREMER : Institut français de recherche et exploitation de la mer.
• 6 Groupe de recherche.

4Ces trente dernières années, D. Prieur et moi-même avons donc essayé de promouvoir les recherches sur les archées en France en favorisant les synergies entre différents laboratoires. Dans les années 1990, D. Prieur avait mis en place avec l’aide de l’IFREMER5 un GDR6 CNRS appelé Bactocéan qui avait soutenu les recherches de nos équipes et celles de deux chercheurs intéressés par l’effet de la pression, Guy Hervé à Paris et Marie-Dominique Legoy à La Rochelle. Au début des années 1990, notre équipe à Orsay a aidé le laboratoire de George Barbier à l’IFREMER de Brest à initier un programme de recherche sur la réplication et la réparation de l’ADN chez les Thermococcales en accueillant un doctorant financé par l’IFREMER, Ahmed Bouyoub (7). Par la suite, Jöel Quérellou puis Didier Flamand, ont développé ce programme de recherche en prenant P. abyssi comme souche modèle (8).

• 7 Il a été montré par la suite que d’autres archées utilisent plusieurs origines, mais toujours en no (...)

5A la fin des années 1990, j’avais pu prédire par une approche bio-informatique, en collaboration avec Hervé Philippe et un doctorant Philippe Lopez, la position de l’origine de réplication de l’ADN chez plusieurs archées et l’identité de la protéine qui déclenche la réplication du chromosome – un homologue de Cdc6 qui réalise la même fonction chez les eucaryotes (9). Le séquençage du génome de P. abyssi allait permettre à deux post-doctorants, Hannu Myllykallio et Fujihiko Matsunaga, de valider ces deux prédictions expérimentalement grâce à notre capacité de cultiver P. abyssi (10, 11). Si P. abyssi utilise une protéine initiatrice de type eucaryote, il n’utilise qu’une seule origine sur son chromosome pour démarrer la réplication, comme le font les bactéries, alors que les eucaryotes utilisent de multiples origines7. C’est un exemple des similitudes superficielles qui existent parfois entre bactéries et archées, peut-être dû à une convergence évolutive correspondant au phénotype « procaryote », dans ce cas, un chromosome circulaire de petite taille (12).

• 8 Je décris la descente dans le Nautile de ma collaboratrice, Evelyne Marguet, dans un chapitre de mo (...)

9Le laboratoire de D. Prieur avait un accès privilégié aux campagnes organisées par l’IFREMER et à leur fameux sous-marin jaune, le Nautile. Cette connexion allait ainsi permettre à notre équipe de participer en 1999 à une campagne internationale de collecte d’échantillons au large des côtes mexicaines, la campagne AMISTAD (pour amitié en espagnol)8 (Figure 1). Notre objectif était la recherche de virus infectant les Thermococcales. La plupart des virus d’archée isolés jusque-là provenait de souches aérobies, en particulier de Sulfolobales. Le grand spécialiste des virus d’archée à l’époque, W. Zillig, participait à cette campagne et son aide fut décisive par la suite pour la mise en place d’une collection de souches qu’Evelyne Marguet et moi-même avons été isoler dans son laboratoire à l’Institut Max-Planck de Munich.

• 9 Ces structures sont appelées « Tunneling nanotubes » chez les eucaryotes.

10Une doctorante de D. Prieur, Claire Geslin (Figure 3), qui participait à la campagne AMISTAD, allait isoler le premier virus infectant une Thermococcales (14), le virus PAV1 dont l’hôte est P. abyssi (Figure 2). A Orsay, nous n’avons pas réussi à isoler de virus, mais un doctorant, Nicolas Soler, aujourd’hui maitre de conférence à Nancy, a observé que toutes nos nouvelles souches produisaient des vésicules membranaires, dont certaines contenaient de l’ADN (15). Une autre doctorante de l’équipe, Marie Gaudin, a ensuite montré que ces vésicules pouvaient transférer de l’ADN entre différentes souches (16), un phénomène que N. Soler et moi avons récemment proposé de baptiser vésiduction (17), un quatrième mécanisme de transfert d’ADN, à côté de la transformation, de la conjugaison et de la transduction. Il y a dix ans, personne ne croyait encore trop à l’importance biologique de ces vésicules chez les bactéries. Aujourd’hui, la situation a radicalement changé et leur étude est devenue à la mode, avec des journaux et des congrès spécialisés (18). Nous avons observé que les Thermococcales produisent également des nanotubes qui peuvent relier les cellules entre elles et qui rappellent les nanotubes observés entre cellules eucaryotes9.

• 10 European Research Concil.
• 11 Institut de biologie intégrative de la cellule.

11Suite à ces travaux, j’ai obtenu un financement européen de l’ERC10, EVOMOBIL, pour étudier la coévolution des archées avec leurs plasmides et virus. Bien que retraité, j’ai ainsi pu poursuivre mes travaux dans l’équipe de Jacques Oberto (Figure 3), Biologie Cellulaire des archées (BCA) à Orsay au sein de l’I2BC11. J’ai profité du projet EVOMOBIL pour faire séquencer par l’équipe de Valérie Barbe au CNS les souches isolées suite à la campagne AMISTAD et une partie de la collection de souches de D. Prieur (en collaboration avec Mohamed Djebbar qui lui a succédé à la tête du laboratoire à Brest). Nous avons ainsi obtenu les génomes d’une centaine de souches et plusieurs dizaines de nouveaux plasmides. J. Oberto a entrepris d’étudier ces plasmides, en particulier le mécanisme d’action de leurs intégrases, avec Violette Da Cunha, post-doctorante, et deux doctorants, Matteo Cossu et Catherine Badel (19). Nous avons pu montrer que l’intégration de ces plasmides entraîne le réarrangement des génomes à grande échelle (20). Nous avons également pu identifier le premier plasmide conjugatif d’une archée hyperthermophile. Ryan Catchpole a réussi à observer de la conjugaison à 100°C, non seulement entre Thermococcales, mais également entre archées appartenant à différents phylums, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de la génétique des archées hyperthermophiles.

• 12 Société Française de biochimie et biologie moléculaire.

13Dans les années 2000, alors que je siégeais au conseil d’administration de la SFBBM12, j’avais mis en place un groupement thématique sur les archées au sein de cette société. De nouvelles équipes avaient commencé à travailler sur la biochimie et la biologie moléculaire des archées, en prenant souvent comme souche modèle P. abyssi. C’était le cas, par exemple, de Béatrice Clouet-d’Orval à Toulouse qui étudie les enzymes impliquées dans la dégradation des ARN messagers, d’Yves Mechulan et Emmanuelle Schmitt à Polytechnique qui étudient l’initiation de la traduction, ou encore de Bruno Franzetti (Figure 3), à Grenoble qui avait monté une équipe travaillant sur le protéasome et ses complexes associés chez les archées halophiles et hyperthermophiles. Le groupement thématique de la SFBBM a donné naissance par la suite à un GDR « archées » présidé par Bruno Franzetti. Les colloques du GDR « archées » ont regroupés chaque année une centaine de participants. De nombreuses collaborations se sont établies à ces occasions entre les différentes équipes du GDR qui se répartissent sur tout le territoire national (Figure 4). L’équipe d’H. Myllykallio à Polytechnique collabore ainsi activement avec celle de Didier Flamand à Brest pour étudier la réplication et la réparation de l’ADN chez les archées. La communauté archée en France s’est également enrichie ces trois dernières années de deux équipes pasteuriennes issues de mon passage dans cet Institut entre 2003 et 2019.

• 13 Les Thermococcales produisent de l’hydrogène sulfureux qui est un gaz toxique, ce qui implique une (...)

14En 2003, j’ai accepté de rejoindre l’Institut Pasteur pour prendre la direction du département de microbiologie et monter une nouvelle unité de recherche. Je ne pouvais pas refuser cette proposition qui me permettait de faire rentrer le troisième domaine du vivant dans cette prestigieuse maison ! En même temps, je ne souhaitais pas abandonner mon équipe à Orsay, dont une bonne partie des membres ne voulait pas rejoindre la capitale. De plus, Evelyne Marguet venait juste de finir l’installation d’une nouvelle plateforme pour la culture des Thermococcales, et il était difficile de la transplanter à Pasteur pour des raisons de sécurité13. Curieusement, je n’ai pas eu de problème pour faire accepter à Philippe Kourilsky, alors directeur de l’Institut Pasteur, l’idée de garder mon équipe à Orsay tout en prenant la direction d’une unité et d’un département. Par contre, j’ai dû me battre pour faire accepter cette idée à la direction des sciences de la vie du CNRS de l’époque. Je n’ai pas regretté mon entêtement, car ce sont les recherches que j’avais pu poursuivre à Orsay en parallèle à mon engagement à Pasteur qui m’ont permis d’obtenir par la suite un financement ERC.

• 14 J’avais choisi de donner à l’unité de Pasteur le même nom qu’à l’unité d’Orsay.
• 15 Ils ont en particulier mis en évidence pour la première fois de l’ADN de forme A dans un objet biol (...)

15Pour pouvoir faire tourner deux équipes en parallèle, je proposai à un chercheur géorgien travaillant en Allemagne, David Prangishvili, de me rejoindre à Pasteur pour y poursuivre ses recherches sur les virus des archées (Figure 5). Après avoir quitté l’URSS, ce dernier avait travaillé sur ces virus, tout d’abord chez W. Zillig puis chez K. Stetter. Il était devenu le leader incontesté des recherches dans ce domaine (23). Pendant les quinze ans qui ont suivi son installation à Pasteur, D. Prangishvili et ses étudiants ont réalisé un travail exceptionnel dans notre unité BMGE-Pasteur14 en décrivant un nombre considérable de nouvelles familles virales (24). Ils ont découvert des phénomènes inconnus jusque-là, telle la production par certains virus de pyramides protéiques capables de percer l’enveloppe cellulaire pour laisser les virions s’échapper de la cellule (25) (Figure 5). Ces dix dernières années, D. Prangishvili a été secondé dans ses recherches sur les virus d’archées par l’un des plus brillant chercheurs que j’ai rencontré au cours de ma carrière, Mart Krupovic15 (Figure 5). Venu de Lituanie, cet amoureux des virus nous avait rejoints en 2011 comme post-doctorant avant d’être recruté comme chercheur par l’Institut Pasteur. David et Mart ont réalisé ensemble une série de découvertes spectaculaires, telle l’existence d’ADN naturel de forme A dans les virions de certains virus d’archée (26). J’ai moi-même participé avec Mart à la découverte d’une nouvelle famille d’éléments mobiles, les casposons, qui seraient à l’origine du système CRISPR (27) et à la caractérisation de la première ADN polymérase capable de démarrer une synthèse d’ADN sans amorce (28). Je renouais ainsi avec mes premiers travaux sur la réplication en renversant un paradigme datant des premiers travaux d’Arthur Kornberg sur les ADN polymérases dans les années 1960. Depuis mon départ en retraite en 2019, Mart dirige l’unité « Virologie des archées » à l’Institut Pasteur ou il poursuit ses recherches sur les interactions entre les virus et leurs hôtes chez les archées.

• 16 Biologie évolutive de la cellule microbienne.

16Lors de mon installation à Pasteur, j’étais accompagné par Simonetta Gribaldo, une post-doctorante italienne de BMGE d’Orsay passionnée par l’évolution qui avait décidé de me suivre à Pasteur. Elle avait fait le bon choix puisque qu’elle dirige aujourd’hui dans cet Institut sa propre unité de recherche16. Elle étudie en particulier les archées méthanogènes avec un chercheur pasteurien, Guillaume Borrel (29), une thématique que Jean-Paul Aubert, à l’époque professeur à Paris VII, avait déjà essayé d’introduire à Pasteur dès les années 1980. Une expérience malheureusement interrompue par le décès prématuré en 1986 du jeune pasteurien, Lionel Sibold, qui avait pris en charge cette thématique dans son unité. Les archées méthanogènes ont colonisé nos intestins et leur étude pourrait avoir des répercussions sur la santé humaine. L’équipe de Didier Raoult à Marseille a ainsi décrit en 2012 une nouvelle archée intestinale, Methanomassilicoccus luminyensis (30) et S. Gribaldo a montré que cette archée était la représentante d’un nouvel ordre d’archée méthanogène (31).

• 17 Les Thaumarchées avaient été identifiées précédemment dans de très nombreux environnements froids, (...)
• 18 Analyse de tout l’ADN présent dans l’environnement en vue de reconstruire les génomes des organisme (...)

17J’ai travaillé pendant plusieurs années sur la phylogénie des archées avec S. Gribaldo et Céline Brochier, aujourd’hui professeur à Lyon. Jusqu’en 2008, seuls deux grands phylums d’archées avaient été identifiés et nommés par C. Woese, celui des Euryarchées et celui des Crenarchées. En 2008, notre travail nous a permis de proposer l’existence d’un troisième grand phylum d’archées, que nous avons baptisé les Thaumarchées17 (32). Certaines Thaumarchées jouent un rôle particulièrement important dans le cycle de l’azote sur notre planète et leur étude est actuellement en plein essor. En proposant un nouveau phylum, nous avons ouvert une boite de Pandore. Le développement de la métagénomique18 et une nouvelle définition plus étroite de la notion de phylum ont conduit à une explosion du nombre de phylums chez les archées. Nous en sommes aujourd’hui à une quarantaine, la plupart ne contenant aucune espèce cultivée et ne sont connues que grâce à l’analyse d’un ou de plusieurs génomes reconstruits par informatique, à partir d’échantillon d’ADN environnemental.

• 19 Voir l’article I de cette série : I : Les archées : une mine d’or pour l’étude des ADN topoisoméras (...)
• 20 Les réplicases des bactéries et des archées ne font pas partie de la même famille.
• 21 La primase synthétise l’amorce d’ARN utilisée par la réplicase pour démarrer la synthèse de l’ADN a (...)
• 22 L’hélicase sépare les deux brins de l’ADN en avant de la fourche de réplication.

18La plupart des chercheurs qui travaillent sur les archées s’intéressent à l’évolution et espèrent tirer de leurs études des informations nouvelles permettant de reconstruire l’histoire de la vie sur notre planète. La nature de LUCA et l’origine des eucaryotes sont parmi les questions les plus discutées. En 1977, C. Woese avait imaginé LUCA sous la forme d’un organisme très primitif, qu’il appelait « le progénote » (33). Pour lui, ce progénote avait encore un génome à ARN et fabriquait des protéines de séquence « approximative » en raison d’un système de traduction encore peu fidèle. Je m’étais longtemps opposé à cette idée car je pensais que toutes les Topo II étaient homologues, c’est-à-dire qu’elles descendaient d’un ancêtre commun présent chez LUCA. J’ai dû changer d’avis lorsque nous avons découvert que les Topo II des bactéries (des Topo IIA) et des archées (une Topo IIB) n’étaient pas homologues19. Or les Topo II sont indispensables pour une vie cellulaire à ADN. A la même époque, le séquençage des premiers génomes d’archée a montré qu’en plus des Topo II, trois protéines essentielles pour la réplication de l’ADN n’étaient pas non plus homologues entre Archées et Bactéries : la réplicase20, la primase21 et l’hélicase22. Finalement, la découverte de ThyX par H. Myllykallio a montré que l’ADN sous sa forme actuelle, avec de la thymine, avait été inventé deux fois. L’hypothèse la plus parcimonieuse pour expliquer toutes ces observations semblait donc bien celle d’un LUCA dont le génome était encore constitué d’ARN (Figure 6). Dans ce cas, il fallait imaginer que l’ADN et les protéines de sa réplication étaient apparus indépendamment chez les bactéries et les archées. Mais dans ce cas, quelle était l’origine de cet ADN ?

• 23 Ces auteurs pensent que l’ADN de LUCA était répliqué par une ancêtre de l’ADN polymérase des archée (...)
• 24 Les ribosomes sont les organites cellulaires responsables de la synthèse des protéines.
• 25 Voir l’article I de cette série, « Les Archées : une mine d’or pour l’étude des ADN topoisomérases  (...)

20L’idée d’un LUCA à ARN est encore loin de faire l’unanimité aujourd’hui dans la communauté. En 1999, j’avais proposé que LUCA ait possédé un système de réplication de l’ADN ressemblant à celui des archées, remplacé chez les bactéries par un système d’origine virale (35). Cette idée a été reprise récemment par M. Krupovic et d’autres auteurs (36)23. Entre temps, j’ai toutefois changé d’avis. Pour moi, un argument fort en faveur d’un LUCA à ARN est fourni par la génomique comparée qui suggère que LUCA devait être un organisme beaucoup plus simple que les organismes modernes (37). Par exemple, il est probable que ses ribosomes24 ne contenaient que les trente-quatre protéines communes aux ribosomes des trois domaines alors que ceux des organismes modernes comprennent entre soixante et quatre-vingt protéines. Enfin, l’idée selon laquelle le génome de LUCA était encore constitué d’ARN permet d’expliquer un phénomène que Woese avait mis en avant dans ses publications des années 1970, le ralentissement de la vitesse d’évolution des macromolécules entre LUCA et les trois derniers ancêtres communs aux trois domaines cellulaires. On peut imaginer en effet que ce ralentissement a fait suite à la transition des génomes à ARN vers les génomes à ADN, dont la réplication est beaucoup plus fidèle (38). L’évolution rapide des macromolécules entre la période de LUCA et celle de la transition ARN/ADN expliquerait pour sa part pourquoi les archées et les bactéries sont séparées par une longue branche dans les phylogénies des protéines universelles. C’est précisément l’absence d’une telle longue branche entre les archées et les bactéries dans la phylogénie de la reverse gyrase qui nous avait conduit à conclure à l’absence de cette protéine chez LUCA (39)25.

• 26 Les phylums qui le composent portent les noms de dieux germaniques, tel que Lokiarchaeota pour le d (...)

22La question la plus débattue actuellement est celle de l’origine des eucaryotes. Nous avons vu que le nombre de phylums d’archées a explosé ces dernières années, ce qui a conduit à les regrouper au sein de superphylums. Le plus célèbre d’entre eux est celui des Asgards26 (41). De nombreux évolutionnistes pensent aujourd’hui que ces archées sont les ancêtres directs des eucaryotes. Ces derniers seraient nés de l’association entre une archée et une ou plusieurs bactéries. Selon moi ce modèle, généralement appelé arbre 2D (pour deux domaines primaires archées et bactéries) nous ramène à une conception antérieure aux travaux de C. Woese, telle celle de Lynn Margulis, qui envisageait l’apparition tardive des eucaryotes résultant de l’association de plusieurs procaryotes.

• 27 L’ARN polymérase synthétise les ARN messagers en recopiant le message de l’ADN en ARN, c’est la tra (...)

24En nous concentrant sur les deux plus grandes protéines universelles, les deux grandes sous-unités des ARN polymérases27, nous avons obtenu un arbre 3D robuste (42). Nos derniers travaux montrent par ailleurs que certaines protéines d’Asgard très proches de leurs homologues eucaryotes auraient pu être introduites chez ces archées par transfert de gènes à partir de proto-eucaryotes (44). Si les Asgards ne sont sans doute pas les ancêtres directs des eucaryotes, ils auraient donc pu coexister avec ces derniers.

• 28 Chez les eucaryotes, les gènes sont formés de régions codantes interrompues par des régions non cod (...)

25Le débat 2D/3D est important car il conditionne tous les travaux sur l’origine des eucaryotes et la nature de LUCA (Figure 7). En effet, si le modèle 2D est correct, on doit imaginer que tous les caractères uniques aux eucaryotes, et ils sont nombreux, sont apparus « récemment » dans la branche qui leur est spécifique. Par contre, dans le modèle 3D, certains de ces caractères – par exemple les gènes mosaïques et le splicéosome28 – pourraient être plus anciens et avoir été perdus chez les archées et/ou les bactéries. La plupart des évolutionnistes et des chercheurs travaillant sur les archées suivent actuellement le modèle 2D. Ce modèle satisfait le goût des humains pour les dichotomies : le monde n’est plus divisé en trois domaines, mais en deux domaines primaires, archées et bactéries. Il permet également de retrouver la vision de l’évolution traditionnelle, du simple vers le complexe, des procaryotes vers les eucaryotes. Pour les chercheurs travaillant sur les archées, le modèle 2D est vu comme une promotion de leurs organismes préférés (de l’un des trois domaines à l’un des deux domaines primaires) et la gratification d’étudier nos ancêtres directs. Je pense pourtant qu’ils se trompent et j’espère que les travaux que j’ai initiés avec de jeunes collègues sans parti pris au départ pourront se poursuivre à l’avenir et permettre de résoudre cette question.