27 6 月, 2022

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科学家发现有史以来最大的细菌

加勒比地区红树林的科学家们发现了一种可以长到人类睫毛大小和形状的细菌。

这些细胞是有史以来观察到的最大的细菌,比已知细菌如大肠杆菌大数千倍。 “这就像遇到另一个像珠穆朗玛峰那么大的人,”加利福尼亚州伯克利联合基因组研究所的微生物学家让-玛丽·福兰德说。

博士.. 沃兰德和同事 发表 他们对一种名为 Thiomargarita magnifica 的细菌的研究发表在周四的《科学》杂志上。

科学家们曾经认为细菌过于简单而无法产生大细胞。 但Thiomargarita magnifica 原来是非常复杂的。 由于大多数细菌世界尚未被探索,完全有可能更大、更复杂的细菌正在等待被发现。

自荷兰镜片研磨师安东尼·范·列文虎克通过刮牙发现这种细菌以来,已经过去了大约 350 年。 当他将牙菌斑置于原始显微镜下时,他惊讶地看到单细胞生物在其周围游动。 在接下来的三个世纪里,科学家们发现了许多其他类型的细菌,所有这些都是肉眼看不见的。 例如,大肠杆菌细胞可测量约 微米,或小于千分之一英寸。

每个细菌细胞都是它自己的有机体,这意味着它可以生长并分裂成一对新细菌。 但细菌细胞经常生活在一起。 范列文虎克的牙齿上覆盖着一层含有数十亿细菌的果冻状薄膜。 在湖泊和河流中,一些细菌细胞粘在一起非常小 字符串.

我们人类是多细胞生物,我们的身体由大约 30万亿个细胞. 虽然我们的细胞肉眼看不到,但它们通常比细菌中的细胞大得多。 人类卵细胞可以达到 120微米 直径,或千分之五英寸。

其他物种的细胞可以长得更大:绿藻 Caulerpa taxfolia 产生刀片状细胞,可以长到 脚长.

随着小细胞和大细胞之间的鸿沟出现,科学家们通过进化来理解它。 所有的动物、植物和真菌都属于同一个进化谱系,被称为真核生物。 真核生物有许多共同的适应性,可以帮助它们构建大细胞。 科学家们得出的结论是,如果没有这些适应,细菌细胞将不得不保持很小。

首先,一个大蜂巢需要物理支撑,这样它才不会倒塌或破裂。 真核细胞包含刚性分子线,其作用类似于帐篷中的杆子。 然而,细菌不具备这种细胞骨架。

大细胞还面临着化学挑战:随着它变大,分子需要更长的时间才能四处走动并遇到合适的伙伴以进行微妙的化学反应。

真核生物已经开发出解决这个问题的方法,方法是用微小的碎片填充细胞,在那里可以发生不同形式的生物化学。 它们将DNA包裹在一个称为细胞核的囊中,以及可以读取基因以制造蛋白质的分子,或者当细胞繁殖时蛋白质会产生新的DNA拷贝。 每个细胞在称为线粒体的囊内产生燃料。

细菌没有在真核细胞中发现的部分。 在没有细胞核的情况下,每个细菌通常都会携带一个 DNA 环,在其内部自由漂浮。 它们也没有线粒体。 相反,它们通常会产生燃料,其膜中嵌入了颗粒。 这种安排适用于小型蜂窝。 但是随着电池尺寸的增加,电池表面没有足够的空间用于产生燃料的分子。

细菌的简单性似乎解释了它们为什么这么小:它们没有变大的基本复杂性。

然而,据加利福尼亚州门洛帕克复杂系统研究实验室的创始人、Voland 博士的合著者 Shalish Dett 说,这个结论是草率的。 在研究了细菌世界的一小部分之后,科学家们对细菌进行了全面的概括。

“我们只是触及了表面,”他说,“但我们非常教条。”

这种正统观念在 1990 年代开始破裂。 微生物学家发现,一些细菌已经独立发展出自己的隔室。 他们还发现了肉眼可见的物种。 Epulopiscium fishelsoni例如,在 1993 年出现。当生活在刺鲀体内时,细菌会长出 600 微米的长度——比一粒盐还大。

Thiomargarita magnifica 是由安的列斯大学生物学家 Olivier Gros 于 2009 年在调查红树林时发现的。 瓜德罗普,一组加勒比海岛屿,属于法国的一部分。 这种微生物看起来像一小块白色意大利面条,在漂浮在水中的枯叶上形成一层。

起初,格罗斯博士不知道他发现了什么。 人们认为意大利面可能是一种真菌、一块小海绵或其他一些真核生物。 但是当他和他的同事从实验室的样本中提取 DNA 时,他们发现那是细菌。

Gross 博士与 Voland 博士和其他科学家联手更密切地研究外星生物。 他们想知道这些细菌是否是链状粘在一起的微小细胞。

事实证明,情况并非如此。 当研究人员使用电子显微镜观察细菌面食内部时,他们意识到每一个都是自己的巨细胞。 平均电池长度约为 9,000 微米,最大的为 20,000 微米 – 长度足以跨越一美分的直径。

由于 Valante 博士和他的同事们还没有弄清楚如何在他们的实验室中培养这种细菌,因此对 Thiomargarita magnifica 的研究进展缓慢。 目前,每次团队想要进行新实​​验时,格罗斯博士都必须收集新鲜的细菌供应。 他不仅可以在树叶上找到它,还可以在红树林富含硫的沉积物上发现的牡蛎壳和塑料瓶上找到它。 但细菌似乎遵循一个意想不到的生命周期。

“在过去的两个月里,我没有找到它们,”格罗斯博士说。 “我不知道他们在哪里。”

在Thiomargarita magnifica的细胞内,研究人员发现了一种奇怪而复杂的结构。 它们的膜内建有不同类型的隔间。 这些隔间与我们细胞中的隔间不同,但它们可以让 Thiomargarita magnifica 长到巨大的尺寸。

一些房间似乎是燃料工厂,微生物可以利用它在红树林中消耗的硝酸盐和其他化学物质中的能量。

Thiomargarita magnifica 还包含其他看起来非常像人类细胞核的隔间。 每个隔间都包含一个 DNA 环,科学家以猕猴桃等水果中的小种子命名为 pepin。 虽然一个典型的细菌细胞只包含一个 DNA 环,但 Thiomargarita magnifica 有数十万个,每个都藏在自己的吸管内。

最重要的是,每个 Pepin 都包含从其 DNA 构建蛋白质的工厂。 “它们基本上在细胞内有小细胞,”圣路易斯华盛顿大学的微生物学家佩特拉莱文说,他没有参与这项研究。

Thiomargarita magnifica 大量的 DNA 可能使其能够制造所需的额外蛋白质。 每个 Pepin 都可以制造其自己的细菌区域所需的特殊蛋白质组。

Voland 博士和他的同事希望在他们开始培养细菌后,他们将能够证实这些假设。 他们还将解决其他谜团,例如没有分子骨架的细菌如何如此坚韧。

“你可以用镊子取出一缕水,然后放到另一个碗里,”福兰德博士说。 “它如何结合在一起以及如何形成——这些是我们尚未回答的问题。”

迪特博士说,可能还有更多巨型细菌有待发现,甚至可能比巨大的Thiomargarita magnifica还要多。

“他们能达到多少,我们真的不知道,”他说。 “但现在,这些细菌为我们指明了道路。”

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