Вчені виявили найбільші бактерії в історії

Вчені в мангровому лісі в Карибському басейні виявили тип бактерій, які виростають до розміру і форми людської вії.

Ці клітини є найбільшими бактеріями, які коли-небудь спостерігалися, у тисячі разів більшими, ніж відомі бактерії, такі як Escherichia coli. «Це було б як зустріти іншу людину розміром з Еверест», — сказав Жан-Марі Фоланд, мікробіолог з Об’єднаного інституту геному в Берклі, Каліфорнія.

Лікар.. Воланд та соратники опубліковано Їхнє дослідження бактерії під назвою Thiomargarita magnifica опубліковано в четвер в журналі Science.

Колись вчені вважали, що бактерії занадто прості для виробництва великих клітин. Але Thiomargarita magnifica виявляється надзвичайно складною. Оскільки більшість бактеріального світу ще не досліджена, цілком можливо, що навіть більші та складніші бактерії чекають на своє відкриття.

Минуло близько 350 років з тих пір, як голландський шліфувальник лінз Ентоні ван Левенгук виявив бактерію, зіскобивши його зуби. Коли він помістив зубний наліт під примітивний мікроскоп, він був здивований, побачивши, що навколо плавають одноклітинні організми. Протягом наступних трьох століть вчені виявили багато інших типів бактерій, усі вони були невидимі неозброєним оком. Клітка кишкової палички, наприклад, вимірює о мікронабо менше десяти тисячних дюйма.

Кожна бактеріальна клітина є власним організмом, а це означає, що вона може рости і ділитися на пару нових бактерій. Але бактеріальні клітини часто живуть разом. Зуби Ван Левенгука покриті желеподібною плівкою, що містить мільярди бактерій. В озерах і річках клітини деяких бактерій злипаються, щоб бути дуже малими струни.

Ми, люди, багатоклітинні істоти, наше тіло складається з приблизно 30 трильйонів клітин. Хоча наші клітини не видно неозброєним оком, вони зазвичай набагато більші, ніж ті, що містяться в бактеріях. Яйцеклітина людини може досягати 120 мікрон в діаметрі, або п’ять тисячних дюйма.

Клітини інших видів можуть рости більше: зелена водорість Caulerpa taxifolia виробляє лопатоподібні клітини, які можуть рости до довжина стопи.

Коли виникла прірва між малими і великими клітинами, вчені звернулися до еволюції, щоб зрозуміти її. Усі тварини, рослини та гриби належать до однієї еволюційної лінії, яку називають еукаріотами. Еукаріоти мають багато пристосувань, які допомагають їм будувати великі клітини. Вчені прийшли до висновку, що без цих пристосувань бактеріальні клітини мали б залишатися малими.

Для початку великому вулику потрібна фізична підтримка, щоб він не розвалився і не розірвався. Еукаріотичні клітини містять жорсткі молекулярні дроти, які діють як стовпи в наметі. Однак бактерії не володіють цим цитоскелетом.

Велика клітина також стикається з хімічною проблемою: оскільки вона збільшується, молекулам потрібно більше часу, щоб обійти і зустріти правильних партнерів для проведення делікатних хімічних реакцій.

Еукаріоти розробили рішення цієї проблеми, заповнивши клітини крихітними фрагментами, де можуть відбуватися різні форми біохімії. Вони зберігають ДНК, загорнуту в мішок, який називається ядром, разом з молекулами, які можуть зчитувати гени для створення білків, або білки виробляють нові копії ДНК, коли клітина розмножується. Кожна клітина виробляє паливо всередині мішків, які називаються мітохондріями.

Бактерії не мають частин, які є в еукаріотичних клітинах. Без ядра кожна бактерія зазвичай несе кільце ДНК, яке вільно плаває навколо її внутрішньої частини. У них також немає мітохондрій. Замість цього вони виробляють паливо, зазвичай з частинками, вбудованими в їх мембрани. Таке розташування добре працює з невеликими осередками. Але оскільки клітина стає більше, на поверхні клітини не вистачає місця для молекул, що утворюють паливо.

Простота бактерій, здається, пояснює, чому вони такі малі: у них не було складності, необхідної для дорослішання.

Однак, за словами Шаліша Детта, засновника Лабораторії досліджень складних систем у Менло-Парк, Каліфорнія, і співавтора з доктором Воландом, цей висновок був зроблений поспішно. Вчені зробили широкі узагальнення щодо бактерій після вивчення невеликої частини світу бактерій.

«Ми просто подряпали поверхню, — сказав він, — але ми були дуже догматичними».

Це православ’я почало тріскатися в 1990-х роках. Мікробіологи виявили, що деякі бактерії самостійно створили власні відсіки. Вони також виявили види, які були видимі неозброєним оком. Epulopiscium fishelsoniнаприклад, з’явився в 1993 році. Живучи всередині риби-хірурга, бактерії виростають на 600 мікрон у довжину – більше, ніж солі.

Thiomargarita magnifica була виявлена ​​Олів’є Гросом, біологом з Університету Антильських островів у 2009 році під час дослідження мангрових лісів у Гваделупа, група островів Карибського басейну, що входять до складу Франції. Мікроб був схожий на маленькі шматочки білих спагетті, утворюючи шар на мертвому листі, яке плавало у воді.

Спочатку доктор Гросс не знав, що він знайшов. Вважалося, що спагетті може бути грибком, маленькою губкою чи іншим еукаріотом. Але коли він і його колеги витягли ДНК із зразків у лабораторії, вони виявили, що це бактерії.

Доктор Гросс об’єднав зусилля з доктором Воландом та іншими вченими, щоб ближче дослідити інопланетних істот. Вони задалися питанням, чи бактерії були мікроскопічними клітинами, склеєними ланцюжками.

Виявляється, що це не так. Коли дослідники зазирнули всередину бактеріальної пасти за допомогою електронного мікроскопа, вони зрозуміли, що кожна з них є власною гігантською клітиною. Середня клітина має довжину близько 9 000 мікрон, а найбільша — 20 000 мікрон — достатньої довжини, щоб охопити один пенні в діаметрі.

Дослідження Thiomargarita magnifica просуваються повільно, тому що доктор Валанте та його колеги ще не з’ясували, як вирощувати бактерії у своїй лабораторії. Наразі доктор Гросс повинен збирати свіжий запас бактерій щоразу, коли команда хоче провести новий експеримент. Він може знайти його не тільки на листі, але й на раковинах устриць і пластикових пляшках, знайдених на багатих сіркою відкладеннях в мангрових лісах. Але, здається, бактерії мають несподіваний життєвий цикл.

«Протягом останніх двох місяців я їх не знайшов», — сказав доктор Гросс. — Я не знаю, де вони.

Усередині клітин Thiomargarita magnifica дослідники виявили дивну і складну структуру. Їх мембрани мають різні типи вбудованих відсіків. Ці відсіки відрізняються від тих, що є в наших клітинах, але вони можуть дозволити Thiomargarita magnifica вирости до величезних розмірів.

Деякі з камер, схоже, є паливними заводами, де мікроб може використовувати енергію нітратів та інших хімічних речовин, які він споживає в мангрових лісах.

Thiomargarita magnifica також містить інші відсіки, які надзвичайно схожі на людські ядра. Кожен відсік, який вчені назвали пепіном на честь крихітних насіння фрукта, такого як ківі, містить кільце ДНК. У той час як типова бактеріальна клітина містить лише одну петлю ДНК, Thiomargarita magnifica має сотні тисяч їх, кожна заправлена ​​у власну піпетку.

Найголовніше, що кожен Pepin містить фабрики для побудови білків зі своєї ДНК. «Усередині клітин у них в основному маленькі клітини», — сказала Петра Левін, мікробіолог з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, яка не брала участі в дослідженні.

Величезний запас ДНК Thiomargarita magnifica може дозволити їй виробляти необхідні білки. Кожен Pepin може виробляти спеціальні групи білків, необхідних у його власній області бактерій.

Доктор Воланд і його колеги сподіваються, що після того, як вони почнуть культивувати бактерії, вони зможуть підтвердити ці гіпотези. Вони також розв’яжуть інші загадки, наприклад, як бактерії можуть бути такими міцними без молекулярного скелета.

«Ви можете вийняти пінцетом одну нитку води та покласти її в іншу миску», – сказав доктор Фоланд. «Як він тримається разом і як набуває форми – це питання, на які ми не відповіли».

Доктор Діт сказав, що може бути більше гігантських бактерій, які чекають на виявлення, можливо, навіть більше, ніж Thiomargarita magnifica.

“Скільки вони можуть досягти, ми насправді не знаємо”, – сказав він. «Але тепер ці бактерії показали нам шлях».