Nicht alle Bakterien sind gleich. Die meisten sind einzellig und winzig, nur wenige Zehntausendstel Zentimeter lang. Aber Bakterien der Familie Epulopiscium sind groß genug, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, und haben eine Million Mal so viel Volumen wie ihre bekannteren Cousins, E. coli.
In eine Studie veröffentlicht am 18. Dezember in Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenForscher des Cornell and Lawrence Berkeley National Laboratory haben zum ersten Mal das vollständige Genom einer Art aus der Familie der Riesen beschrieben, die sie Epulopiscium viviparus nannten.
„Dieses unglaubliche Riesenbakterium ist in vielerlei Hinsicht einzigartig und interessant: seine enorme Größe, seine Fortpflanzungsart, die Methoden, mit denen es seine Stoffwechselbedürfnisse befriedigt und mehr“, sagte Esther Angert, Professorin für Mikrobiologie am College of Agriculture and Life Sciences und korrespondierender Autor der Studie. „Die Entdeckung des genomischen Potenzials dieses Organismus hat uns einfach umgehauen.“
Das erste Mitglied der Epulopiscium-Familie wurde 1985 entdeckt. Alle Mitglieder dieser Art leben symbiotisch im Darmtrakt bestimmter Doktorfische in tropischen Meereskorallenriffumgebungen wie dem Great Barrier Reef und im Roten Meer.
Aufgrund seiner gigantischen Größe glaubten Wissenschaftler zunächst, es handele sich um eine bestimmte Art von Protozoen, sagte Angert. Der Name Epulopiscium kommt von den lateinischen Wurzeln epulo, was „ein Gast“ bedeutet, und piscium, „eines Fisches“. Während sich die meisten Bakterien vermehren, indem sie sich in zwei Hälften teilen, um zwei Nachkommen zu erzeugen, erzeugt E. viviparus bis zu 12 Kopien von sich selbst, die in einer Elternzelle wachsen und dann freigesetzt werden. „Aktiv und schwimmend – Viviparus bedeutet ‚Lebendgeburt‘.“ Sagte Angert.
Um diese riesigen Bakterien zu untersuchen, müsse man die Fische, in denen sie leben, fangen und die Zellen konservieren oder DNA und RNA so schnell und sorgfältig wie möglich extrahieren, sagte Angert, der seit Jahrzehnten mit Fischbiologen an der Lizard Island Research Station in Australien beim Sammeln und Studieren zusammenarbeitet Proben.
Die Forscher waren besonders daran interessiert zu erfahren, wie E. viviparus seinen extremen Stoffwechselbedarf befriedigt. Bakterien, die sich von Nährstoffen in ihrer Umgebung ernähren, anstatt ihre eigene Energie aus Sonnenlicht zu erzeugen, lassen sich im Allgemeinen in zwei Lager einteilen: diejenigen, die Zugang zu Sauerstoff haben, und diejenigen, die keinen Zugang zu Sauerstoff haben. Ohne Sauerstoff nutzen Bakterien oft die Fermentation, um Energie zu extrahieren, und „fermentierende Organismen bekommen einfach nicht so viel für ihr Geld von den Nährstoffen“, sagte Angert.
Zu sehen, dass E. viviparus tatsächlich ein Fermenter ist, hat das Rätsel nur noch größer gemacht, da seine enorme Größe, seine extreme Fortpflanzung und seine Schwimmfähigkeit mehr und nicht weniger Energie erfordern würden.
Die Forscher fanden heraus, dass E. viviparus seinen Stoffwechsel verändert hat, um das Beste aus seiner Umgebung herauszuholen, indem er eine seltene Methode zur Energieerzeugung und Fortbewegung nutzt (dieselbe Schwimmmethode nutzen auch die Bakterien, die Cholera verursachen), und indem er eine riesige Menge Energie aufwendet Teil seines genetischen Codes für die Herstellung von Enzymen, die die im Darm seines Wirts verfügbaren Nährstoffe ernten können.
Zu den am höchsten produzierten Enzymen gehören diejenigen, die zur Herstellung von ATP, der Energiewährung aller Zellen, verwendet werden. Eine stark gefaltete Membran, die entlang der Außenkante von E. viviparus verläuft, bietet wichtigen Raum für die Energie erzeugenden und transportierenden Proteine, mit einigen überraschenden Ähnlichkeiten zur Funktionsweise von Mitochondrien in den Zellen komplexerer Organismen, sagte Angert.
„Wir alle kennen den Satz ‚Die Mitochondrien sind das Kraftwerk der Zelle‘“, sagte Angert, „und erstaunlicherweise haben sich diese Membranen in E. viviparus irgendwie dem gleichen Modell angenähert wie die Mitochondrien: Sie haben eine stark gefaltete Membran vergrößert die Oberfläche, auf der diese Energie erzeugenden Pumpen arbeiten können, und diese vergrößerte Oberfläche schafft ein Energiekraftwerk.“
Diese Grundlagenforschung hat eine Vielzahl potenzieller zukünftiger Anwendungen, insbesondere da E. viviparus über so wirksame Strategien verfügt, um die in Algen enthaltenen Nährstoffe zu nutzen, sagte Angert. Algen sind ein wachsendes Ziel für Viehfutter, erneuerbare Energien und menschliche Ernährung, da ihr Wachstum nicht mit der landbasierten Landwirtschaft konkurriert.
Erstautor der Studie ist David Sannino, Ph.D., ein ehemaliger Postdoktorand in Angerts Labor. Weitere Co-Autoren sind Francine Arroyo, Ph.D. und die ehemaligen Postdoktoranden Charles Pepe-Ranney und Wenbo Chen; und Jean-Marie Volland und Nathalie Elisabeth, beide vom Lawrence Berkeley National Laboratory.
Mehr Informationen:
David R. Sannino et al., Die außergewöhnliche Form und Funktion des Riesenbakteriums Ca. Bei Epulopiscium viviparus dreht sich alles um seine Natriumantriebskraft, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2306160120