Riesige Bakterien, die in den Mangroven von Guadeloupe gefunden wurden, stellen traditionelle Konzepte in Frage

Auf den ersten Blick sieht das leicht trübe Wasser in der Röhre aus wie eine Schaufel Regenwasser, komplett mit Blättern, Schutt und noch leichteren Fäden in der Mischung. Aber in der Petrischale enthüllen sich die dünnen Fadennudeln, die zart über den Blattresten schweben, als einzelne Bakterienzellen, die mit bloßem Auge sichtbar sind.

Die ungewöhnliche Größe ist bemerkenswert, da Bakterien normalerweise nicht ohne die Hilfe eines Mikroskops sichtbar sind. „Es ist 5.000-mal größer als die meisten Bakterien. Um es in einen Zusammenhang zu bringen, es wäre, als würde ein Mensch auf einen anderen Menschen treffen, der so groß wie der Mount Everest ist“, sagte Jean-Marie Volland, ein Wissenschaftler mit gemeinsamen Ernennungen im US-Energieministerium (DOE). ) Joint Genome Institute (JGI), eine DOE Office of Science User Facility im Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und dem Laboratory for Research in Complex Systems (LRC) in Menlo Park, Kalifornien. In der Ausgabe vom 24. Juni 2022 der Zeitschrift Wissenschaft, Volland und Kollegen, darunter Forscher am JGI und Berkeley Lab, LRC und an der Université des Antilles in Guadeloupe, beschrieben die morphologischen und genomischen Merkmale dieses riesigen fadenförmigen Bakteriums zusammen mit seinem Lebenszyklus.

Bei den meisten Bakterien schwimmt ihre DNA frei im Zytoplasma ihrer Zellen. Diese neu entdeckte Bakterienart hält ihre DNA besser organisiert. „Die große Überraschung des Projekts war die Erkenntnis, dass diese Genomkopien, die über die ganze Zelle verteilt sind, tatsächlich in einer Struktur enthalten sind, die eine Membran hat“, sagte Volland. „Und das ist für ein Bakterium sehr unerwartet.“

Seltsame Begegnungen in den Mangroven

Das Bakterium selbst wurde 2009 von Olivier Gros, Professor für Meeresbiologie an der Université des Antilles in Guadeloupe, entdeckt. Gros‘ Forschung konzentriert sich auf marine Mangrovensysteme, und er suchte in schwefelreichen Mangrovensedimenten in der Nähe nach schwefeloxidierenden Symbionten aus seinem Labor, als er zum ersten Mal auf die Bakterien stieß. „Als ich sie sah, dachte ich: ‚Seltsam'“, sagte er. „Am Anfang dachte ich, es wäre nur etwas Merkwürdiges, ein paar weiße Fasern, die wie ein Blatt an etwas im Sediment befestigt werden müssten.“ Das Labor führte in den nächsten Jahren einige Mikroskopiestudien durch und stellte fest, dass es sich um einen schwefeloxidierenden Prokaryoten handelte.

Silvina Gonzalez-Rizzo, außerordentliche Professorin für Molekularbiologie an der Université des Antilles und Co-Erstautorin der Studie, führte die 16S-rRNA-Gensequenzierung durch, um den Prokaryoten zu identifizieren und zu klassifizieren. „Ich dachte, es wären Eukaryoten; ich dachte nicht, dass es Bakterien sind, weil sie so groß waren und scheinbar viele Filamente hatten“, erinnerte sie sich an ihren ersten Eindruck. „Wir erkannten, dass sie einzigartig waren, weil sie wie eine einzelne Zelle aussahen. Die Tatsache, dass sie eine ‚Makro‘-Mikrobe waren, war faszinierend!“

„Sie verstand, dass es sich um ein Bakterium der Gattung handelte Thiomargarita,“ bemerkte Gros. „Sie hat es benannt Ca. Thiomargarita magnifica.“

„Magnifica, weil magnus auf Latein bedeutet groß und ich finde es wunderschön wie das französische Wort großartig“, erklärte Gonzalez-Rizzo. „Diese Art von Entdeckung wirft neue Fragen zu bakteriellen Morphotypen auf, die noch nie zuvor untersucht wurden.“

Charakterisierung des Riesenbakteriums

Volland ließ sich auf den Riesen ein Thiomargarita Bakterien, als er als Postdoktorand ins Gros-Labor zurückkehrte. Als er sich auf die entdeckungsbasierte Position am LRC bewarb, die ihn am JGI arbeiten lassen würde, erlaubte Gros ihm, die Forschung an dem Projekt fortzusetzen.

Am JGI begann Volland ein Studium Ca. T. magnifica in Tanja Woykes Single Cells Group, um besser zu verstehen, was dieses schwefeloxidierende, kohlenstofffixierende Bakterium in den Mangroven tat. „Mangroven und ihre Mikrobiome sind wichtige Ökosysteme für den Kohlenstoffkreislauf. Wenn Sie sich den Raum ansehen, den sie auf globaler Ebene einnehmen, macht er weniger als 1 % der Küstengebiete weltweit aus. Aber wenn Sie sich dann die Kohlenstoffspeicherung ansehen, werden Sie feststellen dass sie 10-15 % des in Küstensedimenten gespeicherten Kohlenstoffs beitragen“, sagte Woyke, der auch das Microbial Program des JGI leitet und einer der leitenden Autoren des Artikels ist. Das Team war auch gezwungen, diese großen Bakterien im Hinblick auf ihre potenziellen Wechselwirkungen mit anderen Mikroorganismen zu untersuchen. „Wir haben dieses Projekt unter der strategischen Stoßrichtung des JGI für interorganisme Interaktionen gestartet, weil sich gezeigt hat, dass große Schwefelbakterien Hot Spots für Symbionten sind“, sagte Woyke. „Dennoch hat uns das Projekt in eine ganz andere Richtung geführt“, fügte sie hinzu.

Volland stellte sich der Herausforderung, diese Riesenzellen dreidimensional und mit relativ hoher Vergrößerung zu visualisieren. Mit verschiedenen Mikroskopietechniken, wie beispielsweise der harten Röntgentomographie, visualisierte er ganze Filamente mit einer Länge von bis zu 9,66 mm und bestätigte, dass es sich tatsächlich um riesige Einzelzellen handelte und nicht um vielzellige Filamente, wie es bei anderen großen Schwefelbakterien üblich ist. Er konnte auch im Berkeley Lab verfügbare Bildgebungseinrichtungen wie konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verwenden, um die Filamente und die Zellmembranen detaillierter darzustellen. Diese Techniken ermöglichten es ihm, neuartige, membrangebundene Kompartimente zu beobachten, die DNA-Cluster enthalten. Er nannte diese Organellen „pepins“, nach den kleinen Samen in Früchten. DNA-Cluster waren in den einzelnen Zellen reichlich vorhanden.

Das Team lernte die genomische Komplexität der Zelle kennen. Wie Volland feststellte: „Die Bakterien enthalten dreimal mehr Gene als die meisten Bakterien und Hunderttausende von Genomkopien (Polyploidie), die über die gesamte Zelle verteilt sind.“ Das JGI-Team verwendete dann Einzelzellgenomik, um fünf der Bakterienzellen auf molekularer Ebene zu analysieren. Sie amplifizierten, sequenzierten und setzten die Genome zusammen. Parallel dazu verwendete das Labor von Gros auch eine als BONCAT bekannte Markierungstechnik, um Bereiche zu identifizieren, die an Aktivitäten zur Proteinherstellung beteiligt sind, die bestätigten, dass die gesamten Bakterienzellen aktiv waren.

„Dieses Projekt war eine schöne Gelegenheit zu zeigen, wie sich die Komplexität in einigen der einfachsten Organismen entwickelt hat“, sagte Shailesh Date, Gründer und CEO von LRC und einer der leitenden Autoren des Artikels. „Eines der Dinge, die wir argumentiert haben, ist, dass die biologische Komplexität viel detaillierter betrachtet und untersucht werden muss, als dies derzeit der Fall ist. Organismen, die wir für sehr, sehr einfach halten, könnten also einige Überraschungen bereiten.“

Das LRC finanzierte Volland durch Zuschüsse der John Templeton Foundation und der Gordon and Betty Moore Foundation. „Diese bahnbrechende Entdeckung unterstreicht die Bedeutung der Unterstützung grundlegender, kreativer Forschungsprojekte, um unser Verständnis der natürlichen Welt zu verbessern“, fügte Sara Bender von der Gordon and Betty Moore Foundation hinzu. „Wir freuen uns darauf zu erfahren, wie die Charakterisierung von Ca. Thiomargarita magnifica stellt das derzeitige Paradigma dessen, was eine Bakterienzelle ausmacht, in Frage und bringt die mikrobielle Forschung voran.“

Ein riesiges Bakterium, mehrere Forschungsfragen

Für das Team charakterisierend Ca. Thiomargarita magnifica hat den Weg für mehrere neue Forschungsfragen geebnet. Unter ihnen ist die Rolle des Bakteriums im Mangroven-Ökosystem. „Wir wissen, dass es auf dem Sediment des Mangroven-Ökosystems in der Karibik wächst und gedeiht“, sagte Volland. „In Bezug auf den Stoffwechsel macht es Chemosynthese, ein Prozess, der der Photosynthese für Pflanzen entspricht.“ Eine weitere offene Frage ist, ob die neuen Organellen namens Pepine eine Rolle bei der Evolution der extrem großen Thiomargarita magnifica spielten und ob Pepine in anderen Bakterienarten vorhanden sind oder nicht. Die genaue Bildung von Pepinen und wie molekulare Prozesse innerhalb und außerhalb dieser Strukturen ablaufen und reguliert werden, bleibt ebenfalls zu untersuchen.

Gonzalez-Rizzo und Woyke sehen beide die erfolgreiche Kultivierung der Bakterien im Labor als einen Weg, einige der Antworten zu erhalten. „Wenn wir diese Bakterien in einer Laborumgebung halten können, können wir Techniken anwenden, die derzeit nicht durchführbar sind“, sagte Woyke. Gros will sich andere große Bakterien ansehen. „Sie können einige TEM-Bilder finden und sehen, was wie Pepins aussieht, also haben die Leute sie vielleicht gesehen, aber nicht verstanden, was sie sind. Das wird sehr interessant zu überprüfen, ob die Pepins bereits überall vorhanden sind.“

An dieser Arbeit waren auch Forscher des Nationalmuseums für Naturgeschichte (Frankreich), der Universität Sorbonne (Frankreich) und der Cornell University beteiligt.