Ученые открыли самые большие бактерии в истории

Ученые в мангровом лесу на Карибах обнаружили тип бактерий, которые вырастают до размера и формы человеческой ресницы.

Эти клетки являются самыми крупными бактериями, которые когда-либо наблюдались, в тысячи раз больше, чем известные бактерии, такие как кишечная палочка. «Это было бы похоже на встречу с другим человеком размером с гору Эверест», — сказал Жан-Мари Фоланд, микробиолог из Объединенного института генома в Беркли, Калифорния.

Доктор.. Воланд и его коллеги опубликовано Их исследование бактерии под названием Thiomargarita magnifica опубликовано в четверг в журнале Science.

Ученые когда-то считали, что бактерии слишком просты, чтобы производить большие клетки. Но Thiomargarita magnifica оказывается удивительно сложной. Поскольку большая часть бактериального мира еще не исследована, вполне возможно, что еще более крупные и сложные бактерии ждут своего открытия.

Прошло около 350 лет с тех пор, как голландский шлифовщик линз Энтони ван Левенгук обнаружил бактерии, соскоблив зубы. Когда он поместил зубной налет под примитивный микроскоп, он был поражен, увидев плавающие вокруг него одноклеточные организмы. В течение следующих трех столетий ученые обнаружили множество других видов бактерий, невидимых невооруженным глазом. Клетки Escherichia coli, например, измеряют примерно микронили менее десятитысячных дюйма.

Каждая бактериальная клетка — это отдельный организм, а это значит, что она может расти и делиться на пару новых бактерий. Но клетки бактерий часто живут вместе. Зубы Ван Левенгука покрыты желеобразной пленкой, содержащей миллиарды бактерий. В озерах и реках клетки некоторых бактерий слипаются и становятся очень маленькими. струны.

Мы, люди, многоклеточные существа, наши тела состоят примерно из 30 триллионов клеток. Хотя наши клетки не видны невооруженным глазом, они обычно намного больше, чем у бактерий. Яйцеклетка человека может достигать 120 мкм в диаметре, или пять тысячных дюйма.

Клетки других видов могут увеличиваться в размерах: зеленые водоросли Caulerpa Taxifolia производят клетки в форме лезвий, которые могут расти до длина ноги.

Когда образовалась пропасть между маленькими и большими клетками, ученые обратились к эволюции, чтобы понять ее. Все животные, растения и грибы принадлежат к одной и той же эволюционной линии, которую называют эукариотами. Эукариоты имеют много общих приспособлений, которые помогают им строить большие клетки. Ученые пришли к выводу, что без этих приспособлений бактериальные клетки должны были бы оставаться маленькими.

Для начала большому улью нужна физическая поддержка, чтобы он не разрушился и не порвался. Эукариотические клетки содержат жесткие молекулярные провода, которые действуют как шесты в палатке. Однако бактерии не обладают этим цитоскелетом.

Большая клетка также сталкивается с химической проблемой: по мере того, как она становится больше, молекулам требуется больше времени, чтобы двигаться и встречаться с нужными партнерами для проведения тонких химических реакций.

Эукариоты нашли решение этой проблемы, заполняя клетки крошечными фрагментами, в которых могут возникать различные формы биохимии. Они хранят ДНК в мешочке, называемом ядром, вместе с молекулами, которые могут считывать гены для создания белков, или белки производят новые копии ДНК при воспроизведении клетки. Каждая клетка вырабатывает топливо внутри мешочков, называемых митохондриями.

Бактерии не имеют частей, найденных в эукариотических клетках. Без ядра каждая бактерия обычно несет кольцо ДНК, свободно плавающее внутри нее. У них также нет митохондрий. Вместо этого они обычно генерируют топливо с частицами, внедренными в их мембраны. Такое расположение хорошо работает с небольшими ячейками. Но по мере увеличения размера клетки на поверхности клетки становится недостаточно места для молекул, генерирующих топливо.

Простота бактерий, кажется, объясняет, почему они такие маленькие: у них не было элементарной сложности роста.

Однако этот вывод был сделан поспешным, по словам Шалиша Детта, основателя Лаборатории исследований сложных систем в Менло-Парке, Калифорния, и соавтора с доктором Воландом. Ученые сделали широкие обобщения о бактериях после изучения небольшой части бактериального мира.

«Мы только поцарапали поверхность, — сказал он, — но мы были очень догматичны».

Эта ортодоксальность начала давать трещины в 1990-х годах. Микробиологи обнаружили, что некоторые бактерии независимо развили свои собственные компартменты. Они также обнаружили виды, которые были видны невооруженным глазом. Эпулописциум рыбельсонинапример, появился в 1993 году. Живя внутри рыбы-хирурга, бактерии вырастают до 600 микрон в длину — больше, чем крупинка соли.

Thiomargarita magnifica была обнаружена Оливье Гро, биологом из Университета Антильских островов, в 2009 году при обследовании мангровых лесов в Гваделупа, группа Карибских островов, входящих в состав Франции. Микроб выглядел как маленькие кусочки белых спагетти, образующие слой на мертвой листве, плававшей в воде.

Сначала доктор Гросс не знал, что он нашел. Считалось, что спагетти могут быть грибком, маленькой губкой или каким-то другим эукариотом. Но когда он и его коллеги извлекли ДНК из образцов в лаборатории, они обнаружили, что это бактерии.

Доктор Гросс объединил усилия с доктором Воландом и другими учеными для более тщательного изучения инопланетных существ. Они задавались вопросом, были ли бактерии микроскопическими клетками, слипшимися в цепочки.

Оказывается, это не так. Когда исследователи заглянули внутрь бактериальной пасты с помощью электронных микроскопов, они поняли, что каждая из них представляет собой отдельную гигантскую клетку. Средняя клетка имеет длину около 9 000 микрон, а самая большая — 20 000 микрон — достаточно длинная, чтобы охватывать пенни в диаметре.

Исследования Thiomargarita magnifica продвигались медленно, потому что доктору Валанте и его коллегам еще предстоит выяснить, как выращивать бактерии в своей лаборатории. В настоящее время доктору Гроссу приходится собирать свежий запас бактерий каждый раз, когда команда хочет провести новый эксперимент. Он может найти его не только на листьях, но и на раковинах устриц и пластиковых бутылках, найденных на богатых серой отложениях в мангровом лесу. Но бактерии, кажется, следуют неожиданному жизненному циклу.

«За последние два месяца я их не нашел», — сказал доктор Гросс. «Я не знаю, где они».

Внутри клеток Thiomargarita magnifica исследователи обнаружили странную и сложную структуру. Их мембраны имеют различные типы встроенных в них компартментов. Эти отсеки отличаются от тех, что есть в наших клетках, но они могут позволить Thiomargarita magnifica вырасти до огромных размеров.

Некоторые из камер, по-видимому, являются топливными заводами, где микроб может использовать энергию нитратов и других химических веществ, которые он потребляет в мангровых лесах.

Thiomargarita magnifica также содержит другие компартменты, которые очень похожи на человеческие ядра. Каждый отдел, который ученые назвали пепином в честь крошечных семян в таком фрукте, как киви, содержит кольцо ДНК. В то время как типичная бактериальная клетка содержит только одну петлю ДНК, у Thiomargarita magnifica их сотни тысяч, каждая из которых спрятана в своей пипетке.

И самое главное, каждый Пепин содержит фабрики по построению белков из своей ДНК. «У них в основном маленькие клетки внутри клеток», — сказала Петра Левин, микробиолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, которая не участвовала в исследовании.

Огромный запас ДНК Thiomargarita magnifica может позволить ей производить дополнительные белки, в которых она нуждается. Каждый пепин может производить особый набор белков, необходимых для своего региона бактерий.

Доктор Воланд и его коллеги надеются, что после того, как они начнут культивировать бактерии, они смогут подтвердить эти гипотезы. Они также будут решать другие загадки, например, как бактерии могут быть такими живучими без молекулярного скелета.

«Вы можете взять одну полоску воды пинцетом и поместить ее в другую миску», — сказал доктор Фоланд. «Как он держится вместе и как принимает форму — это вопросы, на которые мы не ответили».

Доктор Дит сказал, что могут быть обнаружены и другие гигантские бактерии, возможно, даже более крупные, чем Thiomargarita magnifica.

«Сколько они могут достичь, мы на самом деле не знаем», — сказал он. «Но теперь эти бактерии показали нам путь».