重新定义原核细胞!迄今为止最大的细菌出乎意料的复杂

【字体: 时间:2022年02月25日 来源:AAAS

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  来自红树林的巨大微生物可能是单细胞生物和构成人类的细胞之间缺失的一环。

  

                               

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根据定义,微生物应该很小,只能用显微镜才能看到。但是,一种新描述的生活在加勒比海红树林中的细菌却没有得到这份备忘录。它的线状单细胞肉眼可见,长到花生的2厘米长,比许多其他微生物大5000倍。更重要的是,这个巨人有一个巨大的基因组,它不像其他细菌那样在细胞内自由浮动,而是被包裹在一个膜里,这是一种创新,具有更复杂细胞的特征,就像人体中的细胞一样。

上周,这种细菌在网上发布的一份预印本中公布了出来,这让一些研究人员大吃一惊。马萨诸塞大学阿默斯特分校的微生物学家Verena Carvalho说:“当谈到细菌时,我极少说‘不会吧!’,但是这个细菌确实把我们认为的(大小)上限提高了10倍。”

这一发现“奇妙而令人大开眼界”。这种超大的细菌比果蝇和线虫大,这些是他和其他人为了研究而有时会感染更小的细菌的普通实验室生物。

九州理工学院的计算生物学家Takemoto Kazuhiro Takemoto说,除了颠覆关于微生物可以变得多大和复杂的观点外,这种细菌“可能是复杂细胞进化过程中缺失的一环”。

研究人员长期以来将生命分成两类:原核生物,包括细菌和称为古生菌的单细胞微生物;真核生物,包括从酵母到大多数多细胞生命形式,包括人类在内的一切。原核生物有自由漂浮的DNA,而真核生物则把它们的DNA封装在细胞核中。真核生物也将各种细胞功能划分为称为细胞器的小泡,并能将分子从一个隔间移动到另一个隔间,这是原核生物无法做到的。

但是新发现的微生物模糊了原核生物和真核生物之间的界限。大约10年前,法国安的列斯大学的海洋生物学家奥利维尔·格罗斯(Olivier Gros)在当地一片沼泽地的腐烂红树林叶子表面发现了一种奇怪的生物,它以细丝状生长。直到5年后,他和他的同事才意识到这些有机体实际上是细菌。直到最近,Gros的研究生Jean-Marie Volland接受了挑战,试图对微生物进行特征描述,他们才意识到这些微生物的特殊性。

一些微生物,比如黏菌蓝藻,形成可见的茎或细丝组成的细胞堆,但研究小组使用了各种显微镜和染色方法来验证红树林细丝每一个都只是一个细胞。Volland现在是劳伦斯伯克利国家实验室的海洋生物学家,他回忆说:“一开始,我们不相信这一点。”

此外,该细胞包括两个膜囊,其中一个包含了所有细胞的DNA,Volland和他的同事在他们2月18日的bioRxiv预印本上发表了报告。Volland称囊(sac)为细胞器,这是“一个巨大的新步骤”,这意味着生命的两个分支并不像以前想象的那样不同。

“也许是时候重新考虑我们对真核生物和原核生物的定义了!这是一个超级酷的故事。”

另一个充满水的囊可能是细菌能长得这么大的原因。微生物学家过去认为细菌必须很小部分原因是它们通过细胞内部的分子扩散来进食、呼吸和排出毒素,而这些分子的传播距离是有限的。然后在1999年,研究人员发现了一种巨大的食硫微生物大约有纳米比亚海岸的罂粟籽那么大。它之所以大,是因为它的细胞内容物被一个充满水和硝酸盐的巨大囊挤压到细胞外壁上。细菌的基本分子仍然可以在体内和体外扩散,因为“只有(在边缘)细胞是活的”。长期以来,科学家们发现了许多由硫构成的大细胞。

像在纳米比亚发现的微生物一样,这种新的红树林细菌也有一个巨大的囊,大概占其总体积的73%。与其他微生物类群相似的研究小组提出了与其他类群相同的基因分析方法。

Volland发现的细胞有2厘米高,但他们认为,如果不被践踏、吃掉、被风吹走或被海浪冲走,它们可能会长得更大。

这个充满DNA的囊,也沿着这种细菌的内部边缘挤压,也被证明是非同寻常的。当能源部联合基因组研究所(Department of Energy Joint Genome Institute)的研究人员对其中的DNA进行测序时,他们发现基因组非常庞大,1100万个碱基中含有约11000个清晰可分辨的基因。通常,细菌基因组平均约400万个碱基和3900个基因。

通过用荧光标签标记DNA,沃兰确定了细菌的基因组如此之大,因为相同长度的DNA有超过500000个拷贝。被称为核糖体的蛋白质生产工厂也位于充满DNA的囊中,这很可能使基因编码转化为蛋白质的效率更高。克莱顿莫纳什大学的微生物学家Chris Greening说:“将遗传物质与其他物质分离开来,可以实现更复杂的控制和更高的复杂性。”。

Greening补充道:“细菌常常被认为是小而简单的‘无生命的’生命形式,也就是所谓的‘蛋白袋’。但这种细菌表明这离事实不远了。”

 Largest bacterium ever discovered has an unexpectedly complex cell


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