美國能源部聯合基因組研究所的研究人員宣布，儘管一種新發現的細菌在肉眼下是可見的，但顯微鏡顯示了意想不到的複雜性。乍一看，試管中略顯渾濁的水看起來像一瓢雨水，其中充滿了樹葉、碎屑，甚至還有更輕的絲線。但在培養皿中，細如粉絲的絲線微妙地漂浮在樹葉碎片之上，被發現實際上是單體細菌細胞，肉眼可見。
這種不尋常的尺寸非常值得注意，因為如果沒有顯微鏡的幫助，細菌通常是不可見的。“它比大多數細菌大5000倍。”ean-Marie Volland說，他是美國能源部（DOE）聯合基因組研究所（JGI）的一名科學家，JGI是DOE科學辦公室的用戶設施，位於勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）和加州門洛帕克的複雜系統研究實驗室（LRC），擁有聯合任命。在2022年6月24日的《科學》雜誌上，Volland及其同事，包括JGI和伯克利實驗室、LRC以及瓜德羅普島安的列斯大學的研究人員，描述了這種巨型絲狀細菌的形態和基因組特徵，以及它的生命周期。
對於大多數細菌來說，它們的DNA在其細胞的細胞質中自由漂浮。這種新發現的細菌物種使其DNA更有組織。“該項目最大的驚喜是意識到這些遍布整個細胞的基因組副本實際上包含在一個有膜的結構中，”Volland說。“而這對於一個細菌來說是非常意外的。”
紅樹林中的奇特邂逅
這種細菌本身是由位於瓜德羅普島的安的列斯大學的海洋生物學教授Olivier Gros在2009年發現的。Gros的研究重點是海洋紅樹林系統，當他第一次遇到這種細菌時，他正在離他的實驗室不遠的富含硫磺的紅樹林沉積物中尋找氧化硫的共生體。他說：“當我看到它們時，我想，‘很奇怪’。一開始我以為這只是一些好奇的東西，一些白色的絲狀物，需要附着在沉積物中的東西上，比如一片葉子。” 實驗室研究人員在接下來的幾年裡進行了一些顯微鏡研究，並意識到這是一種氧化硫的原核生物。
安的列斯大學分子生物學副教授、該研究的共同第一作者Silvina Gonzalez-Rizzo進行了16S rRNA基因測序，以識別和分類這種原核生物。“我以為它們是真核生物；我不認為它們是細菌，因為它們是如此之大，似乎有很多絲狀物，”她回憶起她的第一印象。“我們意識到它們是獨特的，因為它看起來像一個單細胞。它們是一種’宏觀’的微生物，這一點很吸引人！”
“她明白，這是一種屬於Thiomargarita屬的細菌，”Gros指出。“她把它命名為Ca. Thiomargarita magnifica。”
“Magnifica是因為magnus在拉丁語中是大的意思，我認為它像法語單詞magnifique一樣華麗，”Gonzalez-Rizzo解釋說。“這種發現開啟了關於細菌形態的新問題，這些問題以前從未被研究過。”
對巨型細菌進行定性
當Volland作為博士后研究員回到Gros實驗室時，他參與了巨型Thiomargarita細菌的研究。當他申請在LRC的發現型職位時，他將在JGI工作，Gros允許他繼續研究該項目。
在JGI，Volland開始研究Ca. T. magnifica在Tanja Woyke的單細胞組，以更好地了解這種氧化硫、碳固定的細菌在紅樹林中的作用。“紅樹林及其微生物組是碳循環的重要生態系統。如果你看一下它們在全球範圍內所佔據的空間，它還不到全世界沿海地區的1%。但是當你再看碳儲存時，你會發現它們貢獻了沿海沉積物中儲存的10-15%的碳，”Woyke說，他也是JGI微生物項目的負責人，是文章的資深作者之一。鑒於這些大型細菌與其他微生物的潛在相互作用，該團隊也不得不對其進行研究。Woyke說：“我們在JGI的生物體間相互作用的戰略主旨下開始了這個項目，因為大型硫磺細菌已經被證明是共生體的熱點。”她補充說：“然而，這個項目把我們帶到了一個非常不同的方向。”
Volland接受了挑戰，在相對較高的放大率下將這些巨型細胞進行三維可視化。例如，利用各種顯微鏡技術，如硬X射線斷層掃描，他看到了長達9.66毫米的整個細絲，並證實它們確實是巨大的單細胞，而不是多細胞細絲，這在其他大型硫磺細菌中很常見。他還能夠利用伯克利實驗室現有的成像設施，如共聚焦激光掃描顯微鏡和透射電子顯微鏡（TEM），更詳細地觀察絲狀體和細胞膜。這些技術使他能夠觀察到含有DNA簇的新的、與膜結合的小室。他將這些細胞器稱為”pepins”，以水果中的小種子命名。DNA簇在單細胞中非常多。
該小組了解了細胞的基因組複雜性。正如Volland所指出的，“這些細菌含有比大多數細菌多三倍的基因，以及遍布整個細胞的數十萬個基因組拷貝（多倍體）。”JGI團隊隨後使用單細胞基因組學在分子水平上分析了五個細菌細胞。他們擴增、測序並組裝了基因組。同時，Gros的實驗室還使用了一種被稱為BONCAT的標記技術來確定參與蛋白質製造活動的區域，這證實了整個細菌細胞是活躍的。
文章的資深作者之一、LRC的創始人兼首席執行官Shailesh Date說：“這個項目是一個很好的機會，可以證明複雜性是如何在一些最簡單的生物體中進化的。我們所論證的事情之一是，有必要比目前所做的更詳細地觀察和研究生物的複雜性。因此，我們認為非常、非常簡單的生物體可能會有一些驚喜。”
LRC通過約翰-坦普爾頓基金會和戈登和貝蒂-摩爾基金會的資助為Volland 提供了資金。戈登和貝蒂-摩爾基金會的Sara Bender補充說：“這一突破性的發現強調了支持基礎性、創造性研究項目的重要性，以促進我們對自然界的理解。我們期待着了解Ca. 我們期待着了解Ca. Thiomargarita magnifica的特徵如何挑戰當前構成細菌細胞的模式，並推動微生物研究。”
一個巨大的細菌，多個研究問題
對於該團隊來說，描述Ca. Thiomargarita magnifica為多個新的研究問題鋪平了道路。其中，該細菌在紅樹林生態系統中的作用。Volland說：“我們知道它在加勒比海的紅樹林生態系統的沉積物上面生長和繁榮。在新陳代謝方面，它進行化學合成，這是一個類似於植物光合作用的過程。”另一個懸而未決的問題是，被命名為pepins的新細胞器是否在Thiomargarita magnifica極端尺寸的進化中發揮了作用，以及pepins是否存在於其他細菌物種中。pepins的精確形成以及這些結構內外的分子過程是如何發生和被調節的，也有待研究。
Gonzalez-Rizzo和Woyke都認為在實驗室中成功培養這些細菌是獲得一些答案的方法。Woyke說：“如果我們能在實驗室環境中維持這些細菌，我們就能使用現在不可行的技術。你可以找到一些TEM的圖片，看到看起來像pepins 的東西，所以也許人們看到了它們，但不明白它們是什麼。這將是非常有趣的檢查，如果pepins已經到處存在。”