Science：震惊！观察到长达9.66毫米的巨型细菌，挑战关于细菌的传统概念

乍一看，试管中略显浑浊的水看起来就像一瓢雨水，夹杂着树叶、碎屑和更轻的细线。但是在皮氏培养皿中，漂浮在树叶碎片上的细线是单个细菌细胞，肉眼可见。

这种不寻常的大小是值得注意的，因为如果没有显微镜的帮助，细菌通常是不可见的。美国能源部（DOE）联合基因组研究所（JGI）科学家Jean-Marie Volland说，“它比大多数细菌大5000倍。”在一项新的研究中，Volland及其同事们描述了这种巨型丝状细菌的形态和基因组特征，以及它的生命周期。相关研究结果发表在2022年6月24日的Science期刊上，论文标题为“A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles”。

对于大多数细菌来说，它们的DNA在其细胞的细胞质中自由漂浮。这种新发现的细菌物种使其DNA更有组织性。Volland 说，“该项目最大的惊喜是意识到这些遍布整个细胞的基因组拷贝实际上包含在一个有膜的结构中。这对细菌来说是非常意想不到的。”

红树林中的奇特遭遇

这种细菌本身是由安第列斯-圭亚那大学瓜德罗普校区海洋生物学教授Olivier Gros在2009年发现的。Gros的研究重点是海洋红树林系统，当他第一次遇到这种细菌时，他正在离他的实验室不远的富含硫的红树林沉积物中寻找氧化硫的共生体。他说，“当我看到它们时，我想，‘很奇怪’。一开始我以为这只是一些奇怪的东西，一些白色的丝状物需要附着在沉积物中的东西上，比如叶子。Gros实验室在接下来的几年里进行了一些显微镜研究，并意识到这是一种对硫进行氧化的原核生物。”

论文共同第一作者、安第列斯-圭亚那大学瓜德罗普校区分子生物学副教授Silvina Gonzalez-Rizzo进行了16S rRNA基因测序，以识别和分类这种原核生物。她回忆起她的第一印象时说道，“我原以为它们是真核生物；我不认为它们是细菌，因为它们是如此之大，似乎有很多丝状物。我们意识到它们是独特的，因为它们看起来像单个细胞。它们是一种‘宏观’的微生物，这一点很吸引人！”

Gros指出，“她明白，这是一种属于Thiomargarita属的细菌。她把它命名为Ca. Thiomargarita magnifica。”

Gonzalez-Rizzo解释说，“Magnifica是因为magnus在拉丁语中是大的意思，我认为它像法语单词magnifique一样华丽。这种发现开启了关于细菌形态的以前从未被研究过的新问题。”

对这种巨型细菌进行表征

当Volland作为博士后研究员回到Gros实验室时，他参与了巨型细菌Thiomargarita的研究。当他申请在复杂系统研究实验室（LRC）的职位时，他将在JGI开展研究工作，Gros允许他继续研究该项目。

在JGI，Volland开始在Tanja Woyke的单细胞小组研究Ca. T. magnifica，以更好地了解这种氧化硫、碳固定的细菌在红树林中的作用。Woyke说，“红树林及其微生物组是碳循环的重要生态系统。如果你看一下它们在全球范围内所占据的空间，它还不到全世界沿海地区的1%。但是当你再看碳储存时，你会发现它们贡献了10～15%的沿海沉积物中的碳储存。”鉴于这些大型细菌与其他微生物的潜在相互作用，该团队也不得不对它们进行研究。Woyke说，“我们在JGI生物体间相互作用的战略主旨下开始这个项目，因为大型硫细菌已被证明是共生体的热点。然而，这个项目把我们带到了一个非常不同的方向。”

Volland接受了挑战，在三维和相对高的放大率下观察这些巨型细胞。例如，利用各种显微镜技术，如硬X射线断层扫描，他观察到整个细丝长达9.66毫米，并证实它们确实是巨大的单细胞，而不是在其他大型硫细菌中很常见的多细胞细丝。他还能够利用伯克利实验室现有的成像设施，如共聚焦激光扫描显微镜和透射电子显微镜（TEM）来更详细地观察这些细丝和细胞膜。这些技术使他能够观察到新的含有DNA簇的膜包围区室。他将这些细胞器称为“pepins”，以水果中的小种子命名。DNA簇在单细胞中非常多。

这些作者了解了这种巨型细菌的基因组复杂性。正如Volland所指出的那样，“这些细菌含有比大多数细菌多三倍的基因，以及遍布整个细胞的数十万个基因组拷贝（多倍体）”。他们随后使用单细胞基因组学在分子水平上分析了五个细菌细胞。他们扩增、测序并组装了它们的基因组。与此同时，Gros实验室还使用了一种称为BONCAT的标记技术来确定参与蛋白制造活动的区域，这证实了整个细菌细胞是活跃的。

论文共同通讯作者、复杂系统研究实验室（LRC）创始人兼首席执行官Shailesh Date说，“这个项目是一个很好的机会，可以证明复杂性是如何在一些最简单的生物中演变的。我们所论证的事情之一是，有必要比目前所做的更详细地观察和研究生物的复杂性。因此，我们认为非常、非常简单的生物可能会有一些惊喜。”

戈登和贝蒂-摩尔基金会的Sara Bender补充说，“这一突破性的发现强调了支持基础性、创造性研究项目的重要性，以促进我们对自然界的理解。我们期待着了解Ca. Thiomargarita magnifica的特征如何挑战当前构成细菌细胞的模式，并推动微生物研究。”

一种巨型细菌，多个研究问题

对于这些作者来说，描述Ca. Thiomargarita magnifica为多个新的研究问题铺平了道路。其中之一是这种细菌在红树林生态系统中的作用。Volland说，“我们知道，它在加勒比海地区红树林生态系统的沉积物上面茁壮成长。在代谢方面，它进行化学合成，这是一个类似于植物光合作用的过程。”另一个悬而未决的问题是，这些被命名为pepins的新细胞器是否在Thiomargarita magnifica极端尺寸的进化中发挥了作用，以及pepins是否存在于其他细菌物种中。pepins的精确形成以及这些结构内部和外部的分子过程如何发生和受到调控也有待研究。

Gonzalez-Rizzo和Woyke都认为在实验室中成功培养这些细菌是获得一些答案的方法。Woyke说，“如果我们能在实验室环境中维持这些细菌，我们就能使用目前还不可行的技术。”Gros想看看其他大型细菌。“你可以找到一些TEM图片，看到类似于pepins的东西，所以也许人们看到了它们，但不知道它们是什么。如果pepins已经无处不在的话，这将是非常有趣的检查。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jean-Marie Volland et al. A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active membrane-bound organelles. Science, 2022, doi:10.1126/science.abb3634.

Petra Anne Levin. A bacterium that is not a microbe. Science, 2022, doi:10.1126/science.adc9387.