Самая большая из когда-либо обнаруженных бактерий имеет неожиданно сложную клетку

Thiomargarita magnifica

Одноклеточные нити новой бактерии Thiomargarita magnifica видны рядом с десятицентовой монетой. Нажмите на фото, для просмотра небольшого видео.

По определению, микробы должны быть настолько малы, чтобы их можно было увидеть только в микроскоп. Но недавно исследованная бактерия, обитающая в карибских мангровых зарослях, никогда не получала такого указания. Видимая невооруженным глазом, её нитевидная одиночная клетка вырастает до двух сантиметров, что в 5000 раз больше, чем у большинства бактерий. Более того, у этого гиганта огромный геном, который не свободно плавает внутри клетки, как у других бактерий, а вместо этого заключен в мембрану, которая часто встречается в гораздо более сложных клетках, таких как клетки человеческого организма. И это, что-то новое.

Бактерия была описана в препринте, опубликованном в Интернете 16 февраля, и это ошеломило некоторых исследователей, которые изучали ее особенности. Когда дело доходит до бактерий, я никогда не говорю «никогда», но это ровно в 10 раз больше того, что мы считали верхним пределом размера, — говорит Верена Карвалью, микробиолог из Массачусетского университета в Амхерсте.

Открытие значимое и очень важное, добавляет Виктор Нисе, ученый-медик из Калифорнийского университета в Сан-Диего, изучающий инфекционные заболевания. Гигантская бактерия больше, чем плодовые мушки и анкилостомы, обычные лабораторные организмы, которых он и другие иногда заражают гораздо меньшими по размеру бактериями для своих исследований.

Помимо перевернутых представлений о том, насколько большими и сложными могут стать микробы, эта бактерия может быть недостающим звеном в эволюции сложных клеток, — говорит Казухиро Такемото, вычислительный биолог из Технологического института Кюсю.

Исследователи давно разделили жизнь на две группы: прокариоты, которые включают бактерии и одноклеточные микробы, называемые археями, и эукариоты, которые включают все, от дрожжей до большинства форм многоклеточной жизни, включая людей. Прокариоты имеют свободно плавающую ДНК, в то время как эукариоты упаковывают свою ДНК в ядро. Эукариоты также разделяют различные клеточные функции на пузырьки, называемые органеллами, и могут перемещать молекулы из одного отсека в другой, чего не могут прокариоты.

Но недавно открытая бактерия стирает грань между прокариотами и эукариотами. Около 10 лет назад Оливье Гро, морской биолог из Университета Французских Антильских островов в Пуэнт-а-Питре, наткнулся на странный организм, растущий тонкими нитями на поверхности разлагающихся листьев мангровых деревьев в местном болоте. Только 5 лет спустя он и его коллеги поняли, что эти организмы на самом деле были бактериями. И они не понимали, насколько особенными они были, до недавнего времени, когда аспирант Гро Жан-Мари Фолланд не взялся за попытку охарактеризовать их.

Некоторые микробы, такие как слизистые плесени и сине-зеленые водоросли (фото ниже), образуют видимые стебли или нити, состоящие из множества клеток, но команда использовала различные методы микроскопии и окрашивания, чтобы убедиться, что нити мангровых деревьев состоят из одной клетки. Сначала мы в это не поверили, — вспоминает Фолланд, ныне морской биолог из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Триходесмий

Флуоресцентные антитела освещают центры нитей, выявляя локальную фиксацию азота в триходесмии.

Кроме того, эта клетка включает в себя два мембранных мешка, один из которых содержит всю ДНК клетки, сообщают Фолланд и его коллеги в своем препринте от 18 февраля на веб-сайте bioRxiv [1]. Фолланд называет этот мешочек органеллой, и это меняет наше представление о простейших, подразумевая, что две ветви жизни не так различны, как считалось ранее, говорит Карвалью. Возможно, пришло время пересмотреть наше определение эукариот и прокариот, — соглашается Петра Левин, микробиолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Это супер крутая история.

Другой наполненный водой мешок может быть причиной того, почему бактерия вырастает такой большой. Микробиологи склонны думать, что бактерии должны быть маленькими, отчасти потому, что они едят, дышат и избавляются от токсинов, распространяя молекулы внутри своей клетки, и существуют ограничения на то, как далеко эти молекулы могут перемещаться. Затем, в 1999 году, исследователи обнаружили гигантского питающегося серой микроба размером с маковое зернышко у берегов Намибии. Он может быть большим, потому что его клеточное содержимое прижато к внешней клеточной стенке гигантским мешком, наполненным водой и нитратами. Молекулы ядра бактерий все еще могут диффундировать внутрь и наружу, потому что «клетка живет только на краю», — говорит Карвалью, который работал с этой группой бактерий. С тех пор ученые обнаружили другие крупные бактерии, питающиеся серой, но их длинные нити состоят из нескольких клеток.

Как и микроб, обнаруженный в Намибии, новая бактерия мангровых лесов также имеет огромный мешок, который, представляет собой в основном воду, занимающую 73% от ее общего объема. Это сходство и генетический анализ побудили исследовательскую группу отнести его к тому же роду, что и большинство других микробных гигантов, и предложить назвать его Thiomargarita magnifica.

«Какое прекрасное название!» — говорит Эндрю Стин, специалист по биоинформатике из Университета Теннесси в Ноксвилле, который изучает, как микроорганизмы влияют на геохимические циклы. Читая об этом, я чувствую себя точно так же, как когда я слышу об огромном динозавре или какой-то небесной структуре, которая невероятно велика, горяча, холодна, плотна и каким-то образом разрушает понятные нашим мозгом паттерны.

Самая большая бактерия T. magnifica, которую обнаружил Фолланд, была 2 сантиметра в длину, но Карвалью считает, что если ее не растоптать, не съесть, не сдуть ветром или не смыть волной, они могут вырасти еще больше.

Заполненный ДНК мешочек, сплющенный вдоль внутреннего края этой бактерии, также был необычным. Когда исследователи из Объединенного института генома Министерства энергетики секвенировали ДНК внутри, они обнаружили, что геном огромен: в 11 миллионах оснований содержится около 11000 четко различимых генов. Как правило, бактериальные геномы содержат в среднем около 4 миллионов оснований и около 3900 генов.

Пометив ДНК флуоресцентными метками, Фолланд определил, что бактериальный геном настолько велик, потому что существует более полумиллиона копий одних и тех же участков ДНК. Фабрики по производству белка, называемые рибосомами, также находились внутри заполненного ДНК мешка, что, вероятно, делало более эффективным перевод генного кода в белок. Отделение генетического материала от всего остального обеспечивает более изощренный контроль и большую сложность, — говорит Крис Грининг, микробиолог из Университета Монаша в Клейтоне.

Слишком часто бактерии рассматриваются как маленькие, простые, недоразвитые формы жизни — так называемые «мешки с белками», — добавляет Грининг. Но эта бактерия показывает, что это не совсем истина.

Использованная литература

  1. Бактерия длиной в сантиметр с ДНК, разделенной на мембраносвязанные органеллы. DOI: 10.1101/2022.02.16.480423 Препринт

Читайте также: