细菌中的“珠穆朗玛峰”现身!长达2cm,肉眼可见!

业界 | 2022-07-10| 19

出品:科普中国

作者:EVEE(北京大学生命科学学院)

监制:中国科普博览

如果只是粗略地看一眼,试管中略显浑浊的水仿佛和积水潭中的水并无区别,其中混杂着树叶,沉积物,以及一些细细的“丝线”,但仔细一看,这些细丝一般的物体居然漂浮在树叶上方,在水中不紧不慢地摆动着…

难不成是寄生虫?毕竟线状的寄生虫在水中非常常见,但当科学家将这条“细线”拿到显微镜下面的时候,所有人都大吃一惊——这些细丝状的物体,居然是肉眼可见的单个细菌细胞!


巨型细菌的渲染图 图片来源:scitechdaily.com

不同于大家平日里对于细菌的印象:个体微小,大多数只能在显微镜下被看到,细胞结构简单,这次被科学家们发现的细菌,堪称细菌界的“巨无霸”。

一、肉眼可见的厘米级细菌

2022年6月,知名期刊《科学》发表了一项关于细菌的研究,科学家们新发现了一个细菌的物种Ca.Thiomargarita magnifica,长约0.9厘米,最长的可以达到2厘米。这样的尺寸可以说是细菌圈子里的巨无霸了,要知道大多数细菌都还是微米级的,1000微米才等于1毫米,这种细菌要比大多数细菌大上5000倍,大家可能没有一个很直观的印象,打个比方,这就像一个人遇到了另一个和珠穆朗玛峰一样的高的人,瞬间高下立判。


巨型细菌和其他一些常见生物的比较 图片来源:参考文献

从形态上看,这种细菌呈白色丝状,从基部逐渐向顶端收缩,形成芽孢,整体外观光滑,没有附生菌。有趣的是,每根细丝都是一个单独的细胞,中间没有分裂隔膜,除了顶端的芽孢通过闭合收缩与细丝的主体分离。


巨型细菌的形态 图片来源:参考文献

毫无疑问,这就是迄今为止发现的最大的细菌,但这仅仅只是T.magnifica与众不同的一个方面,真正颠覆科学家们认知的是,这种细菌的遗传物质被膜结构包被。

二、是细菌,但又不像细菌

科学家和这一巨型细菌的邂逅发生在加勒比海的红树林中,他们发现一些白色的细丝附着在叶片沉积物上,但一开始科学家们并未留意这些细丝,只是觉得它们有些奇怪,便没有再进行后续的研究,这一耽搁,就是10多年。

终于,慧眼识珠的科学家们发现了这些白色细丝的与众不同,进行了较为深入的研究。他们一开始并没有想到这会是一种细菌,因为这些细丝肉眼可见,更像是真核生物,直到科学家们对这种白色细丝的16S核糖体RNA进行了测序,才确定了这是一种细菌。

(注:16S核糖体RNA,简称为16S rRNA,是原核生物的核糖体中30S亚基的组成部分,被称为细菌系统分类研究中最有用的和最常用的分子标记。不同于原核生物,真核生物中的三类核糖体RNA为5.8S rRNA、18S rRNA和28S rRNA,并没有16s rRNA)


发现巨型细菌的红树林 图片来源:scitechdaily.com

但随着研究的深入,科学家们又开始纳闷了,16S rRNA的结果显示这个巨无霸是细菌无疑,但当他们用共聚焦激光扫描显微镜和透射电子显微镜观察这些细菌的膜结构时,又有了惊人的发现。这些细菌的遗传物质居然是被膜包被了的!

大家在生物课本上都学过:细菌没有核膜,只有遗传物质集中的部位,T. magnifica并不像其他细菌一样,让遗传物质在细胞质中自由漂浮,而是将其包裹在一个膜结构中,这类似于那些更加复杂的细胞,比如动物或者植物的细胞。科学家们将这些被包着遗传物质的细胞器称为“pepins”。


在巨型细菌中的pepins 图片来源:参考文献

T.magnifica内那些被膜包被的遗传物质颠覆了人们的认知,模糊了真核生物和原核生物之间的界限!

三、为什么巨型细菌可以长这么大?

在学界,人们认为细菌缺乏活跃的细胞内运输系统,主要依赖于化学扩散,这限制了细胞的体型。简而言之,细菌之所以这么小,是因为随着其大小的增加,细菌细胞的生理或者代谢需求的增长超出了细胞可以维持的范围。

那么,为什么巨型细菌可以长这么大呢?这还要从巨型细菌的复杂性说起。除了上述两个与众不同的特点之外,这种巨型细菌的复杂程度也远超其他细菌。基因组测序的结果显示,T. magnifica的基因组十分庞大,大约是我们常见的细菌的三倍,拥有1000万个碱基对,包含约11788个基因。


巨型细菌拥有庞大且复杂的基因组 图片来源:参考文献

不仅如此,因为pepins在巨型细菌的体内分布广泛,每个pepins中都有一套基因组的拷贝,所以这种巨型细菌其实是一个多倍体(细胞中含有三套或三套以上染色体的个体,对于这种巨型细菌而言则是拥有三套以上的基因组拷贝), 拥有多套的遗传物质。科学家们在pepins区域检测到活跃的蛋白质生物合成活性,虽然细菌体型大,但是只要pepins数量多,也还是可以满足代谢活动的需求。

除此之外,T.magnifica细菌的细胞内还有一个占总体积的73%左右的大液泡,液泡沿着整个细丝连续分布,这使得细胞质被限制在细胞的外围。这使得巨型细菌在进行物质运输时更为便利,就算体型巨大,也能维持生命活动。


巨型细菌的中央大液泡 图片来源:参考文献

不得不说,一个多世纪以来,对细菌体型大小的认知偏差让人们对巨型细菌视而不见,毫无疑问,这些巨型、复杂的细菌很可能就存在于显而易见的地方,期待着人们去发现,去解读,去探索生物复杂性背后的奥秘。

参考文献:

Volland, J. M., Gonzalez-Rizzo, S., Gros, O., Tyml, T., Ivanova, N., Schulz, F., ... & Date, S. V. (2022). A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science, 376(6600), 1453-1458.

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