Самая крупная из когда-либо обнаруженных бактерий имеет неожиданно сложную клетку
#археи #эукариоты #прокариоты
Гигантский микроб из мангровых зарослей может быть недостающим звеном между одноклеточными организмами и клетками, из которых состоит человек.
По определению, микроорганизмы должны быть настолько малы, что их можно увидеть только с помощью микроскопа. Но недавно описанная бактерия, обитающая в мангровых зарослях Карибского моря, не поняла этого указания. Ее нитевидные клетки видны невооруженным глазом, они вырастают до 2 сантиметров - длиной с земляной орех - это в 5000 раз больше, чем многие другие микробы. Более того, этот гигант имеет огромный геном, который не находится в свободном плавании внутри клетки, как у других бактерий, а заключен в мембрану, что характерно для гораздо более сложных клеток, таких как клетки человеческого тела.
Бактерия была описана в препринте, опубликованном на прошлой неделе, и она поразила некоторых исследователей, изучивших ее особенности. "Когда речь идет о бактериях, я никогда не говорю "никогда", но эта бактерия точно превышает то, что мы считали верхним пределом [размеров] в 10 раз", - говорит Верена Карвальо, микробиолог из Массачусетского университета.
Открытие "фантастическое и впечатляющее", - добавляет Виктор Низет, ученый из Калифорнийского университета, изучающий инфекционные заболевания. Эта огромная бактерия больше, чем плодовые мушки и нематоды - обычные лабораторные организмы, которые он и другие ученые иногда инфицируют гораздо меньшими бактериями для своих исследований.
Помимо того, что эта бактерия разрушает представления о том, насколько большими и сложными могут стать микробы, она "может быть недостающим звеном в эволюции сложных клеток", - говорит Казухиро Такемото, специалист по вычислительной биологии из Технологического института Кюсю.
Исследователи давно разделили жизнь на две группы: прокариоты, к которым относятся бактерии и одноклеточные микробы, называемые археями, и эукариоты, к которым относятся все - от дрожжей до большинства форм многоклеточной жизни, включая человека. Прокариоты имеют свободно плавающую ДНК, тогда как эукариоты упаковывают свою ДНК в ядро. Эукариоты также распределяют различные функции клетки по везикулам, называемым органеллами, и могут перемещать молекулы из одного отсека в другой, чего не могут делать прокариоты.
Но этот недавно открытый микроорганизм стирает грань между прокариотами и эукариотами. Около 10 лет назад Оливье Грос, морской биолог из Университета Французских Антильских островов, наткнулся на странный организм, растущий в виде тонких нитей на поверхности разлагающихся листьев мангровых деревьев в местном болоте. Только спустя 5 лет он и его коллеги поняли, что эти организмы на самом деле являются бактериями. И они не осознавали, насколько особенными были эти микробы, до недавнего времени, когда аспирант Гроса Жан-Мари Волланд взялся за попытку охарактеризовать их.
Некоторые микробы, такие как слизистые плесени и сине-зеленые водоросли, образуют видимые стебли или нити, состоящие из стопок клеток, но группа использовала различные методы микроскопии и окрашивания, чтобы убедиться, что нити из мангровых деревьев состоят всего из одной клетки. В это "мы сначала не поверили...", - вспоминает Волланд, который сейчас работает морским биологом в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.
Более того, эта клетка включает в себя два мембранных отсека, один из которых содержит всю ДНК клетки, сообщают Волланд и его коллеги в препринте на bioRxiv от 18 февраля. Волланд называет этот отсек органеллой, и это "большой новый шаг", который предполагает, что две ветви жизни не так сильно отличаются друг от друга, как считалось ранее, говорит Карвальо. "Возможно, пришло время пересмотреть наше определение эукариот и прокариот!" - соглашается Петра Левин, микробиолог из Вашингтонского университета. "Это суперкрутая история".
Другой, заполненный влагой отсек может быть причиной того, что бактерия смогла вырасти такой большой. Раньше микробиологи считали, что бактерии должны быть маленькими, отчасти потому, что они едят, дышат и избавляются от токсинов путем диффузии молекул через внутреннее пространство клетки, и существуют пределы того, насколько большое расстояние могут преодолеть эти молекулы. Затем в 1999 году исследователи обнаружили у побережья Намибии гигантский микроб, питающийся серой, размером примерно с маковое зерно. Он может быть таким большим, потому что его клеточное содержимое прижато к внешней клеточной стенке гигантским отсеком, заполненным водой и нитратами. Важные молекулы бактерии все еще могут диффундировать внутрь и наружу, потому что "только [по краю] клетка живая", - говорит Карвальо, который изучал эту группу бактерий. С тех пор ученые нашли и другие крупные бактерии, питающиеся серой, но их длинные нити состоят из множества клеток.
Как и микроб, найденный в Намибии, новая мангровая бактерия также имеет огромный отсек - предположительно, с водой, - который занимает 73% ее общего объема. Это сходство и генетический анализ позволили исследовательской группе поместить ее в тот же род, что и большинство других микробных гигантов, и предложить назвать ее Thiomargarita magnifica.
"Какое замечательное название!" - говорит Эндрю Стин, биоинформатик из Университета Теннесси в Ноксвилле, который изучает, как микроорганизмы влияют на геохимические циклы. "Читая о нем, я чувствую себя точно так же, как когда слышу об огромном динозавре или о каком-нибудь небесном теле".
Самая большая клетка T. magnifica, которую нашел Волланд, была размером 2 сантиметра, но Карвальо считает, что если их не затоптать, не съесть, не сдуть ветром или не смыть волной, они могут вырасти еще больше. Заполненный ДНК отсек, также расположенный вдоль внутреннего края этой бактерии, также оказался необычным. Когда исследователи из Объединенного института генома Министерства энергетики провели секвенирование ДНК внутри мешочка, они обнаружили, что геном был огромным, с 11 миллионами оснований, содержащих около 11 000 четко различимых генов. Обычно геномы бактерий в среднем содержат около 4 миллионов оснований и около 3900 генов.
Пометив ДНК флуоресцентными метками, Волланд определил, что геном бактерии настолько велик, потому что в нем имеется более 500 000 копий одних и тех же участков ДНК. Фабрики по производству белка, называемые рибосомами, также находились внутри заполненного ДНК мешка, что, вероятно, делало перевод кода гена в белок более эффективным. "Отделение генетического материала от всего остального позволяет осуществлять более сложный контроль и повышать сложность", - говорит Крис Грининг, микробиолог из Университета Монаша.
Слишком часто о бактериях думают как о маленьких, простых, "неразвитых" формах жизни - так называемых "мешочках с белками", - добавляет Грининг. "Но эта бактерия показывает, что это далеко не так".
