Dernier ancêtre commun universel

L'existence de LUCA n'est pas prouvée par des fossiles, mais est présumée par l'analyse des lignées génétiques du vivant. Les caractères de LUCA sont déduits de ceux partagés par ses descendants. Les travaux en biologie de l'évolution permettent de décrire avec de plus en plus de précision l'histoire des êtres vivants, et notamment comment sont apparues les caractéristiques partagées ou non par les grands domaines du vivant.

D'après Patrick Forterre, LUCA est « une cellule assez complexe »[5], issue d'une longue évolution à partir d'anciennes cellules présentant un métabolisme et capables de se reproduire.

Elle avait une membrane constituée de terpénoïdes, plus simple que celles des cellules actuelles[24]. Ce n'était probablement pas un organisme libre mais confiné dans les micropores de cheminées hydrothermales alcalines[25]. Son métabolisme est basé sur des réactions d'oxydoréduction. L’hydrogène de l’eau, réduit par le Fe²⁺ pouvait être utilisé pour fixer le CO₂[26]. Elle ne disposait pas d'enzyme lui permettant de se nourrir de matière organique préexistante[27].

Voie de Wood–Ljungdahl ou voie réductrice de l'acétyl-coenzyme A utilisée par LUCA pour fixer le carbone.

En revanche, elle dispose de nombreux enzymes intervenant dans le métabolisme des nucléotides et un ribosome primordial permettant la synthèse de protéines[28] mais de façon encore peu fiable. Elle « possédait certainement quelques centaines de gènes » et un génome à ARN. Outre les trois gros ARN universels (16S, 23S et 5S), son ribosome se composait d'une trentaine de protéines (contre 60 à 80 pour ses descendants modernes). On pense que l'ADN a été introduit ultérieurement et indépendamment, dans la lignée bactérienne et celle conduisant aux archées et aux eucaryotes, car les protéines qui le répliquent sont différentes dans ces deux lignées. Les 33 protéines ribosomales caractéristiques des archées et des eucaryotes sont remplacées par 23 autres très différentes chez les bactéries. Elles ont vraisemblablement été ajoutées au ribosome de ces organismes par des virus après la divergence des deux lignées[5].

LUCA était également complexe en termes de structure cellulaire. On pense qu’il disposait d'organelles analogues aux acidocalcisomes pour stocker l'énergie. Ces structures cellulaires devaient accumuler des composés tels que les polyphosphates stockant l’énergie dans leurs liaisons phosphoanhydrides. Ces composés énergétiques étaient nécessaires aux thioesters et pyrophosphates permettant le transport de l'énergie du milieu ambiant au profit du métabolisme de ce progénote[29].

Une étude publiée en 2016 par William Martin, analysant 6,1 millions de gènes codant des protéines issus du séquencement du génome de nombreux procaryotes (1 847 génomes bactériens et 134 génomes d'archées), a permis d’identifier 355 clusters de protéines qui sont vraisemblablement partagés avec LUCA, parmi les 286 514 clusters étudiés. Ceci permet de décrire LUCA comme un organisme autotrophe, anaérobie, thermophile, dépendant du dihydrogène et du gaz carbonique avec une voie réductrice de l'acétyl-coenzyme A et pouvant fixer le diazote[30]. LUCA utilisait un couplage chimio-osmotique de part et d'autre de sa membrane cellulaire pour produire de l'ATP grâce à une enzyme de type ATP synthase. La présence d’enzyme ADN gyrase inverse dans le génome théorique de LUCA, enzyme spécifique des organismes thermophiles, permet de supposer que LUCA s'est développé près de cheminées hydrothermales, un environnement anaérobie et riche en H₂, CO₂ et fer. Cette étude a également permis de mettre en évidence la présence de gènes codant la S-adénosylméthionine, indiquant que LUCA effectuait des modifications chimiques de nucléosides à la fois dans son ARNt et son ARNr. L’étude de William Martin avance l’hypothèse que LUCA était dépendant de la synthèse abiotique et spontanée de méthane à partir de H₂ et de CO₂ présents dans les cheminées hydrothermales de son environnement, et insiste sur l'importance des groupements méthyle dans le développement du métabolisme de LUCA. Cette étude suggère également que les organismes méthanogènes et les clostridia acétogéniques sont les plus proches parents actuels de LUCA[31].

D’après les travaux menés par Manolo Gouy, LUCA n'est vraisemblablement pas hyperthermophile car son ARN ribosomal ne présente pas le renforcement en paires G-C typique de ces organismes. Il serait plutôt mésophile (20 à 60 °C). Certaines bactéries et archées se sont développées postérieurement dans un biotope très chaud, devenant hyperthermophiles (ce qui requérait l'existence de l'ADN, plus stable que l'ARN à ces températures)[32]. Ce contexte a pu favoriser « les ressemblances superficielles que l'on observe entre les archées et les bactéries, ce que l'on peut appeler le « phénotype » procaryote »[5].

Le concept initial de LUCA se base sur des hypothèses faisant abstraction des phénomènes de conjugaison, d'endocytose ou de transfert génétique, qui mettent en jeu deux cellules. Par exemple, le noyau des cellules des eucaryotes pourrait avoir une ascendance distincte de celle de son protoplasme. De fait, en reproduction sexuée, le noyau a une ascendance distincte de son protoplasme, le premier venant par moitié de chacun des parents, le second venant souvent exclusivement de la mère, notamment pour ce qui est des mitochondries, et des chloroplastes dans le cas des végétaux.

Plus récemment, au XXI^e siècle, LUCA est plutôt envisagé comme une population de protocellules, capable d'échanger massivement des gènes, et qui a en fin de compte donné naissance aux deux domaines procaryotes que sont les archées et les bactéries[33].

Antérieurement à ces séparations, la population LUCA réalisait un brassage génétique suffisant pour qu'un composant génétique définissant un système métabolique cohérent puisse être potentiellement diffusé dans l'ensemble de la biosphère. De ce point de vue, la population microbienne représentait une collection d'individus interféconds, donc une « espèce » unique. Cette population n'était pas nécessairement homogène, la prévalence de tel ou tel métabolisme dépendant des conditions écologiques. En particulier, la conservation d'un système de photosynthèse ne confère un avantage reproductif que dans des milieux éclairés.

L'analyse des domaines de protéines et des familles et superfamilles de configurations permet de retracer l'évolution des différentes cellules en parallèle à celle des virus. L'analyse de l'horloge moléculaire associée à ces protéines suggère que la première séparation a été celle entre les virus et les microbes, il y a −3,4 Ga, suivie de celle entre Archées et bactéries, il y a −3,0 Ga[34] Par rapport à l'histoire de la Terre, la première séparation correspond à l'invention de la photosynthèse, la seconde renvoie probablement à l'origine de la nitrogénase.