研究人员在瓜德罗普岛红树林中发现巨型细菌 比正常的大5000倍

这种不寻常的尺寸非常值得注意，因为如果没有显微镜的帮助，细菌通常是不可见的。“它比大多数细菌大5000倍。”ean-Marie Volland说，他是美国能源部（DOE）联合基因组研究所（JGI）的一名科学家，JGI是DOE科学办公室的用户设施，位于劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和加州门洛帕克的复杂系统研究实验室（LRC），拥有联合任命。在2022年6月24日的《科学》杂志上，Volland及其同事，包括JGI和伯克利实验室、LRC以及瓜德罗普岛安的列斯大学的研究人员，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。

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。“该项目最大的惊喜是意识到这些遍布整个细胞的基因组副本实际上包含在一个有膜的结构中，”Volland说。“而这对于一个细菌来说是非常意外的。”

红树林中的奇特邂逅

这种细菌本身是由位于瓜德罗普岛的安的列斯大学的海洋生物学教授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磺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好奇的东西，一些白色的丝状物，需要附着在沉积物中的东西上，比如一片叶子。” 实验室研究人员在接下来的几年里进行了一些显微镜研究，并意识到这是一种氧化硫的原核生物。

安的列斯大学分子生物学副教授、该研究的共同第一作者Silvina Gonzalez-Rizzo进行了16S rRNA基因测序，以识别和分类这种原核生物。“我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，”她回忆起她的第一印象。“我们意识到它们是独特的，因为它看起来像一个单细胞。它们是一种'宏观'的微生物，这一点很吸引人！”

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

“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，”Gonzalez-Rizzo解释说。“这种发现开启了关于细菌形态的新问题，这些问题以前从未被研究过。”

对巨型细菌进行定性

当Volland作为博士后研究员回到Gros实验室时，他参与了巨型Thiomargarita细菌的研究。当他申请在LRC的发现型职位时，他将在JGI工作，Gros允许他继续研究该项目。

在JGI，Volland开始研究Ca. T. magnifica在Tanja Woyke的单细胞组，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。“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沿海沉积物中储存的10-15%的碳，”Woyke说，他也是JGI微生物项目的负责人，是文章的资深作者之一。鉴于这些大型细菌与其他微生物的潜在相互作用，该团队也不得不对其进行研究。Woyke说：“我们在JGI的生物体间相互作用的战略主旨下开始了这个项目，因为大型硫磺细菌已经被证明是共生体的热点。”她补充说：“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，在相对较高的放大率下将这些巨型细胞进行三维可视化。例如，利用各种显微镜技术，如硬X射线断层扫描，他看到了长达9.66毫米的整个细丝，并证实它们确实是巨大的单细胞，而不是多细胞细丝，这在其他大型硫磺细菌中很常见。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），更详细地观察丝状体和细胞膜。这些技术使他能够观察到含有DNA簇的新的、与膜结合的小室。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。

该小组了解了细胞的基因组复杂性。正如Volland所指出的，“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）。”JGI团队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、测序并组装了基因组。同时，Gros的实验室还使用了一种被称为BONCAT的标记技术来确定参与蛋白质制造活动的区域，这证实了整个细菌细胞是活跃的。

文章的资深作者之一、LRC的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体中进化的。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、非常简单的生物体可能会有一些惊喜。”

LRC通过约翰-坦普尔顿基金会和戈登和贝蒂-摩尔基金会的资助为Volland 提供了资金。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. 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。”

一个巨大的细菌，多个研究问题

对于该团队来说，描述Ca. Thiomargarita magnifica为多个新的研究问题铺平了道路。其中，该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的红树林生态系统的沉积物上面生长和繁荣。在新陈代谢方面，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，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外的分子过程是如何发生和被调节的，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，我们就能使用现在不可行的技术。你可以找到一些TEM的图片，看到看起来像pepins 的东西，所以也许人们看到了它们，但不明白它们是什么。这将是非常有趣的检查，如果pepins已经到处存在。”