Большинство бактерий невозможно увидеть без микроскопа, поэтому открытие Thiomargarita magnifica выглядит почти нарушением правил: отдельная клетка этой бактерии может быть длиннее человеческой ресницы. Исследователи описали экземпляры сантиметрового масштаба, а некоторые нити достигали примерно двух сантиметров. Это не колония из тысяч клеток и не многоклеточный организм — перед нами одна гигантская бактериальная клетка.
До её подробного описания рекордсменами среди бактерий обычно называли другие крупные виды, в том числе Epulopiscium fishelsoni и родственников рода Thiomargarita. Но T. magnifica, найденная в мангровых зарослях Гваделупы, оказалась на порядок крупнее прежних кандидатов. Работа, опубликованная в Science в 2022 году, показала, что её необычность не ограничивается размером: устройство клетки заставляет по-новому посмотреть на границу между привычно «простыми» бактериями и более сложно организованными клетками.
Как бактерия вообще может вырасти до сантиметра
Размер клетки ограничивает прежде всего обмен веществ. Чем клетка больше, тем меньше площадь её поверхности относительно объёма, а значит, труднее достаточно быстро получать вещества из окружающей среды и удалять продукты обмена. У обычной бактерии молекулы могут сравнительно легко перемещаться по небольшой клетке; на сантиметровом масштабе одной диффузии уже было бы недостаточно.
Thiomargarita magnifica обходит это ограничение необычной геометрией. Значительную часть внутреннего объёма занимает огромная вакуоль. Метаболически активный слой цитоплазмы оказывается прижат к внешней мембране и остаётся относительно тонким, поэтому расстояния, которые должны проходить вещества, не растут пропорционально общему диаметру клетки. Похожий принцип встречается и у других гигантских сероокисляющих бактерий.
В природе эти организмы используют химическую энергию соединений серы. T. magnifica обнаружили на разлагающихся листьях красного мангра в богатой серой прибрежной среде. Такая экологическая ниша обеспечивает бактерии соединениями, которые она может окислять, получая энергию для жизни.
Полмиллиона копий генома и «пепины»
Ещё более удивительной оказалась организация наследственного материала. Исследователи оценили число копий генома в одной крупной клетке более чем в полмиллиона. Для гигантской клетки это имеет смысл: если ДНК и аппарат синтеза белка были бы сосредоточены только в одной точке, управлять обменом веществ на сантиметровом расстоянии было бы крайне неэффективно. Множество копий генома распределено по клетке и позволяет локально обеспечивать работу разных участков.
Но главное открытие связано не только с количеством ДНК. Генетический материал и рибосомы находятся в многочисленных мембранных структурах, которые авторы работы назвали «пепинами». У большинства бактерий ДНК не отделена от цитоплазмы мембраной, и именно отсутствие оформленного ядра считается одним из классических различий между прокариотами и эукариотами. Пепины не превращают T. magnifica в эукариотическую клетку и не являются полноценными ядрами, однако показывают, что бактериальная клетка способна к гораздо более выраженной внутренней компартментализации, чем долгое время считалось.
Как размножается клетка размером с ресницу
Обычная бактерия часто делится примерно пополам. У T. magnifica жизненный цикл устроен иначе. На одном конце длинной материнской клетки формируется небольшая дочерняя клетка, которая получает часть генетического материала и затем отделяется. Такой асимметричный способ размножения позволяет сохранять гигантскую материнскую структуру, не разрезая её каждый раз на две равные половины.
Именно сочетание огромного размера, полиплоидии и необычной внутренней организации делает эту бактерию интереснее простой записи в книге рекордов. Вопрос «какая бактерия самая большая» кажется бытовым, но ответ привёл биологов к гораздо более фундаментальной теме: насколько разнообразными могут быть клеточные архитектуры у прокариот и какие эволюционные решения позволяют им преодолевать физические ограничения размера.
Почему рекорд важен для биологии
Открытие T. magnifica не стирает различия между бактериями и эукариотами. У неё нет настоящего клеточного ядра, митохондрий и привычной эукариотической системы органелл. Но она показывает, насколько условными могут оказаться наши интуитивные представления: бактерия не обязана быть микроскопической, а её внутреннее устройство не обязательно должно быть максимально простым.
Поэтому сегодня именно Thiomargarita magnifica остаётся наиболее известным кандидатом на звание крупнейшей отдельной бактериальной клетки. Её можно увидеть невооружённым глазом, но научная ценность этого организма как раз в том, что за впечатляющим размером скрывается новая модель того, как может быть организована бактериальная жизнь.
