Когда Оливье Грос, морской биолог и профессор Университета Французских Антильских островов в Гваделупе, отправился на поиски микробов в теплые океанские воды южной части Карибского бассейна, он не пытался найти новый вид бактерий, который бросит вызов традиционному пониманию того, как работают микроскопические клетки. Но в богатых отложениях мангровых систем вдоль моря он именно это и получил.
Новый вид, получивший название Ca. Thiomargarita magnifica, является самой большой бактерией из когда-либо найденных. Она вырастает до 2 сантиметров в длину, что видно невооруженным глазом, и в 5 000 раз больше некоторых других бактерий. И хотя это уже само по себе примечательно, удивительно сложная клеточная структура еще больше отличает ее от других подобных бактерий. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science, объясняется, как Грос и другие исследователи из Объединенного института генома (JGI), проекта Министерства энергетики США, и Университета Французских Антильских островов в Гваделупе обнаружили и идентифицировали эту бактерию, не имеющую себе равных.
Аэрофотоснимки мангровых зарослей архипелага Гваделупа французского Карибского бассейна в апреле-мае 2022 года. Хьюго БретT. magnifica - одноклеточный организм, похожий на тонкую белую вермишель. Он принадлежит к роду Thiomargarita, известному также как гигантские бактерии, хотя этот вид в 50 раз больше любого представителя своей группы. Грос обнаружил эту бактерию, окисляющую серу, прикрепленной к отложениям под затопленными мангровыми деревьями в районе Гваделупы. До сих пор, по словам исследователей, они не нашли этот вид больше нигде. Первоначальное открытие было сделано в 2009 году, но анализ и публикация были отложены, поскольку образцы доступны в полевых условиях только сезонно. (Микробиологи еще не определили закономерность их сроков).
Команда Гроса также не сразу поняла, что этот образец может быть бактерией, поскольку они смогли увидеть его без микроскопа, который обычно требуется для наблюдения за большинством бактерий. Но при дальнейшем изучении Сильвина Гонсалес-Риццо, доцент кафедры молекулярной биологии Университета Французских Антильских островов и автор статьи, с помощью генетического секвенирования определила, что это прокариоты, а точнее, бактерии.
"Я думал, что это эукариоты... потому что они были такими большими и, казалось, с большим количеством нитей", - сказал Гонсалес-Риззо в пресс-релизе. "Тот факт, что это были "макро" микробы, просто завораживает!".
В целом, жизнь, классифицируемая по клеткам, делится на две группы: прокариоты, к которым относятся бактерии и другие одноклеточные микробы, называемые археями, и эукариоты, к которым относятся все - от водорослей до человека. Ученые считают, что эукариоты произошли от прокариот около 2,7 миллиарда лет назад, что привело к появлению нескольких ключевых различий между ними. Самое большое различие заключается в том, что эукариотические клетки имеют четко очерченное ядро, содержащее ДНК клетки, а прокариотические клетки - нет; их ДНК свободно плавает по клетке.
Однако T. magnifica не подчиняется этим правилам. Она не только экспоненциально больше большинства бактерий, но и содержит свою ДНК в мембране, как более сложная эукариотическая клетка. Жан-Мари Волланд, ученый, работающий совместно в JGI и Лаборатории исследований сложных систем, использовал различные методы микроскопии для выявления этих новых, связанных с мембраной отсеков, содержащих ДНК.
Несоответствие этого вида озадачивает даже исследователей, которые видели бактерии всех форм и функций. Прокариотическая клетка, проявляющая эукариотические черты, ставит под сомнение давно устоявшиеся правила классификации.
"Я склонна очень критически относиться ко всему необычному", - говорит Таня Войке, руководитель программы генома микроорганизмов в JGI, которая помогала разработать исследование T. magnifica, чтобы обеспечить согласованность результатов. "Поэтому мы провели много дискуссий о надлежащем контроле в нашем исследовании и были чрезмерно осторожны. Большие заявления требуют больших доказательств".
Помимо поразительных размеров и организации ДНК, T. magnifica имеет в три раза больше генов, чем большинство бактерий. Войке говорит, что такое обилие может позволить организму реагировать на местные стимулы и включать отдельные гены в разных частях клетки. Например, если одному участку нужно производить больше кислорода, он может увеличить его производство на местном уровне.
Еще одно отличие T. magnifica от других бактерий заключается в том, что она имеет диморфный жизненный цикл и размножается путем почкования. В ходе этого процесса клетка с длинной нитью сжимается в одной точке и выращивает семенную почку, которая высвобождается, оседает в окружающей среде, прикрепляется к новому субстрату и вырастает в новую, идентичную по внешнему виду особь. Этот жизненный цикл никогда ранее не наблюдался в таких масштабах, говорит Волланд.
Только 1 процент генов передается дочерним клеткам в процессе почкования, но это не значит, что остальное случайно. Хотя генетические различия между бактериальными клетками - обычное явление, поскольку T. magnifica передает потомству такой низкий процент своих генов, естественно было бы предположить, что и в ее случае будет много разнообразия. Однако в тысячах копий генома, которые были секвенированы, команда Воланда отметила очень мало вариаций, что означает, что, несмотря на минимальную передачу, копии генома практически идентичны.
"Один из главных вопросов для нас в будущем - выяснить, как эта бактерия поддерживает однородность", - говорит Волланд. Этим вопросом он хочет заняться в будущем".
Для Войке и Воланда это открытие - не только введение новой бактерии в научный реестр, но и предположение, что существуют новые способы идентификации организмов, о которых раньше не задумывались. Микробиологи изучают микроскопические организмы, говорит Волланд, поэтому в исследованиях существует предубеждение против бактерий, которые можно увидеть под микроскопом. Находка его команды показывает, что специалисты могут мыслить нестандартно и искать черты, которые могут быть несвойственны их объектам исследования. Речь идет о борьбе с предубеждением подтверждения, говорит Волланд.
"Сейчас у нас есть уникальная возможность посмотреть на ныне живущий микроб, который эволюционирует в сторону увеличения размеров, компартментализации ДНК и всех этих вопросов биологической сложности", - говорит Волланд. "Иногда такие исследования трудны, потому что приходится возвращаться в прошлое и искать скрытые последовательности в данных. Но с этим видом мы можем использовать его как современную систему, чтобы задать вопросы о том, что является ключевым для эволюции бактерий в сторону роста".