Na pierwszy rzut oka lekko mętna woda w tubie wygląda jak czerpak wody burzowej, z liśćmi, gruzem, a nawet jaśniejszymi nitkami w mieszance. Ale na szalce Petriego cienkie nitki przypominające wermiszel unoszące się delikatnie nad resztkami liści okazały się być pojedynczymi komórkami bakteryjnymi, widocznymi gołym okiem.
Niezwykły rozmiar jest godny uwagi, ponieważ bakterie zwykle nie są widoczne bez pomocy mikroskopu. „Jest 5000 razy większy niż większość bakterii. Aby umieścić to w kontekście, byłoby to tak, jakby człowiek spotykał innego człowieka tak wysokiego jak Mount Everest” – powiedział Jean-Marie Volland, naukowiec ze wspólnymi stanowiskami w Departamencie Energii USA (DOE). ) Joint Genome Institute (JGI), DOE Office of Science User Facility mieszczące się w Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) oraz Laboratory for Research in Complex Systems (LRC) w Menlo Park, Kalifornia, 24 czerwca 2022, wydanie czasopisma Science, Volland i współpracownicy, w tym naukowcy z JGI i Berkeley Lab, LRC oraz z Université des Antilles na Gwadelupie, opisali cechy morfologiczne i genomowe tej gigantycznej bakterii nitkowatej wraz z jej cyklem życiowym.
W przypadku większości bakterii ich DNA swobodnie unosi się w cytoplazmie ich komórek. Ten nowo odkryty gatunek bakterii utrzymuje bardziej uporządkowane DNA. „Wielką niespodzianką w projekcie było uświadomienie sobie, że te kopie genomu, które są rozsiane po całej komórce, są w rzeczywistości zawarte w strukturze, która ma błonę” – powiedział Volland. „I to jest bardzo nieoczekiwane w przypadku bakterii”.
Dziwne spotkania w lasach namorzynowych
Sama bakteria została odkryta przez Oliviera Grosa, profesora biologii morskiej na Université des Antilles na Gwadelupie, w 2009 roku. Badania Grosa koncentrują się na systemach namorzynowych i niedaleko szukał symbiontów utleniających siarkę w bogatych w siarkę osadach namorzynowych z jego laboratorium, kiedy po raz pierwszy zetknął się z bakterią. „Kiedy ich zobaczyłem, pomyślałem: „Dziwne” – powiedział. „Na początku myślałem, że to po prostu coś ciekawego, jakieś białe włókna, które trzeba było przyczepić do czegoś w osadzie, jak liść”. W ciągu następnych kilku lat laboratorium przeprowadziło kilka badań mikroskopowych i zdało sobie sprawę, że jest to prokariota utleniająca siarkę.
Silvina Gonzalez-Rizzo, profesor biologii molekularnej na Université des Antilles i współautorka badań, przeprowadziła sekwencjonowanie genu 16S rRNA w celu zidentyfikowania i sklasyfikowania prokariota. „Myślałem, że to eukarionty; nie sądziłem, że to bakterie, ponieważ były tak duże, z pozornie wieloma włóknami”, wspominała swoje pierwsze wrażenie. „Zdaliśmy sobie sprawę, że są wyjątkowe, ponieważ wyglądały jak pojedyncza komórka. Fakt, że były „makro” mikrobem, był fascynujący!”
„Rozumiała, że to bakteria należąca do rodzaju Thiomargarita” – zauważył Gros. – Nazwała go Ca. Thiomargarita magnifica.
„Magnifica, ponieważ Magnus po łacinie oznacza duży i myślę, że jest wspaniały jak francuskie słowo magnifique”, wyjaśnił Gonzalez-Rizzo. „Ten rodzaj odkrycia otwiera nowe pytania dotyczące morfotypów bakterii, których nigdy wcześniej nie badano”.
Charakteryzacja gigantycznej bakterii
Volland związał się z gigantyczną bakterią Thiomargarita, kiedy wrócił do laboratorium Gros jako doktor habilitowany. Kiedy ubiegał się o stanowisko oparte na odkryciach w LRC, w ramach którego pracowałby w JGI, Gros pozwolił mu kontynuować badania nad projektem.
W JGI Volland zaczął studiować Ca. T. magnifica z grupy pojedynczych komórek Tanji Woyke, aby lepiej zrozumieć, co ta bakteria utleniająca siarkę i wiążąca węgiel robi w namorzynach. „Namorzyny i ich mikrobiomy są ważnymi ekosystemami dla obiegu węgla. Jeśli spojrzysz na przestrzeń, którą zajmują w skali globalnej, to jest to mniej niż 1% obszaru przybrzeżnego na całym świecie. Ale kiedy spojrzysz na składowanie dwutlenku węgla, zobaczysz że stanowią one 10-15% węgla zmagazynowanego w osadach przybrzeżnych” – powiedział Woyke, który kieruje również Programem Mikrobiologicznym JGI i jest jednym z głównych autorów artykułu. Zespół był również zmuszony do zbadania tych dużych bakterii w świetle ich potencjalnych interakcji z innymi mikroorganizmami. „Rozpoczęliśmy ten projekt pod strategicznym naciskiem JGI na interakcje między organizmami, ponieważ wykazano, że duże bakterie siarkowe są gorącymi punktami dla symbiontów” – powiedział Woyke. „Jednak projekt skierował nas w zupełnie innym kierunku” – dodała.
Volland podjął wyzwanie wizualizacji tych gigantycznych komórek w trzech wymiarach i przy stosunkowo dużym powiększeniu. Używając różnych technik mikroskopowych, takich jak na przykład tomografia rentgenowska, zwizualizował całe włókna o długości do 9,66 mm i potwierdził, że rzeczywiście były to gigantyczne pojedyncze komórki, a nie włókna wielokomórkowe, jak to jest powszechne w przypadku innych dużych bakterii siarkowych. Był także w stanie wykorzystać urządzenia do obrazowania dostępne w Berkeley Lab, takie jak konfokalna mikroskopia skaningowa i transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM), aby bardziej szczegółowo zwizualizować włókna i błony komórkowe. Techniki te pozwoliły mu zaobserwować nowe, związane z błoną przedziały zawierające skupiska DNA. Nazwał te organelle „pepinami”, od małych nasion w owocach. Klastry DNA były obfite w pojedynczych komórkach.
Zespół poznał złożoność genomiczną komórki. Jak zauważył Volland: „Bakterie zawierają trzy razy więcej genów niż większość bakterii i setki tysięcy kopii genomu (poliploidalność), które są rozsiane po całej komórce”. Zespół JGI wykorzystał następnie genomikę pojedynczej komórki do analizy pięciu komórek bakteryjnych na poziomie molekularnym. Amplifikowali, sekwencjonowali i składali genomy. Równolegle laboratorium Grosa wykorzystało również technikę znakowania znaną jako BONCAT, aby zidentyfikować obszary zaangażowane w czynności związane z wytwarzaniem białek, co potwierdziło, że wszystkie komórki bakteryjne były aktywne.
„Ten projekt był dobrą okazją do zademonstrowania, jak złożoność ewoluowała w niektórych z najprostszych organizmów” – powiedział Shailesh Date, założyciel i dyrektor generalny LRC oraz jeden ze starszych autorów artykułu. „Jedną z rzeczy, o których mówiliśmy, jest to, że istnieje potrzeba przyjrzenia się i zbadania złożoności biologicznej o wiele bardziej szczegółowo niż to, co robi się obecnie. Tak więc organizmy, które naszym zdaniem są bardzo, bardzo proste, mogą mieć pewne niespodzianki”.
LRC zapewniło finansowanie Vollandowi poprzez dotacje z Fundacji Johna Templetona i Fundacji Gordona i Betty Moore. „To przełomowe odkrycie podkreśla znaczenie wspierania fundamentalnych, kreatywnych projektów badawczych w celu lepszego zrozumienia świata przyrody” – dodała Sara Bender z Fundacji Gordona i Betty Moore. „Nie możemy się doczekać, aby dowiedzieć się, w jaki sposób charakterystyka Ca. Thiomargarita magnifica kwestionuje obecny paradygmat tego, co stanowi komórkę bakteryjną i rozwija badania mikrobiologiczne”.
Jedna wielka bakteria, wiele pytań badawczych
Dla zespołu, charakteryzującego Ca. Thiomargarita magnifica utorował drogę do wielu nowych pytań badawczych. Wśród nich jest rola bakterii w ekosystemie namorzynowym. „Wiemy, że rośnie i kwitnie na osadach ekosystemu namorzynowego na Karaibach” – powiedział Volland. „Pod względem metabolizmu dokonuje chemosyntezy, która jest procesem analogicznym do fotosyntezy roślin”. Innym nierozstrzygniętym pytaniem jest, czy nowe organelle zwane pepinami odegrały rolę w ewolucji ekstremalnych rozmiarów Thiomargarita magnifica i czy pepiny są obecne w innych gatunkach bakterii. Do zbadania pozostaje również dokładne tworzenie pepin oraz sposób zachodzenia i regulacji procesów molekularnych w tych strukturach i poza nimi.
Zarówno Gonzalez-Rizzo, jak i Woyke uważają, że skuteczna hodowla bakterii w laboratorium jest sposobem na uzyskanie niektórych odpowiedzi. „Jeśli uda nam się utrzymać te bakterie w warunkach laboratoryjnych, możemy użyć technik, które nie są obecnie możliwe” – powiedział Woyke. Gros chce przyjrzeć się innym dużym bakteriom. „Możesz znaleźć kilka zdjęć TEM i zobaczyć, jak wyglądają pepiny, więc może ludzie je widzieli, ale nie rozumieli, czym one są. To będzie bardzo interesujące sprawdzić, czy pepiny są już wszędzie obecne”.
W prace te zaangażowani byli również naukowcy z Narodowego Muzeum Historii Naturalnej (Francja), Uniwersytetu Sorbony (Francja) i Uniwersytetu Cornell.