Не все бактерии созданы равными.

Большинство из них одноклеточные и крошечные, длиной в несколько десятитысячных сантиметра. Но бактерии семейства Epulopiscium достаточно велики, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, и в 1 миллион раз превышают по объему своих более известных собратьев, E. coli.

В исследовании, опубликованном 18 декабря в Трудах Национальной академии наук, исследователи из Корнельского университета и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли впервые описали полный геном одного вида семейства гигантов, которого они назвали Epulopiscium viviparus.

Эта невероятная гигантская бактерия уникальна и интересна во многих отношениях: ее огромный размер, способ размножения, методы, с помощью которых она удовлетворяет свои метаболические потребности, и многое другое. Раскрытие геномного потенциала этого организма просто потрясло нас «.

Эстер Ангерт, профессор микробиологии Колледжа сельского хозяйства и естественных наук и соответствующий автор исследования

Первый представитель семейства Epulopiscium был открыт в 1985 году. Все представители этого вида симбиотически живут в кишечнике определенных рыб-хирургов в тропических морских средах обитания коралловых рифов, таких как Большой Барьерный риф и Красное море.

По словам Ангерта, из-за ее гигантских размеров ученые изначально полагали, что это какой-то особый тип простейших. Название Epulopiscium происходит от латинских корней epulo, означающих «гость», и piscium, «рыбы». В то время как большинство бактерий размножаются путем деления пополам, создавая двух потомков, E. viviparus создают целых 12 своих копий, которые растут внутри родительской клетки, а затем высвобождаются. «активный и плавающий – viviparus означает «живорождение», — сказал Ангерт.

Изучение этих гигантских бактерий требует отлова рыбы, в которой они обитают, и сохранения клеток или извлечения ДНК и РНК как можно быстрее и тщательнее, сказал Ангерт, который на протяжении десятилетий сотрудничал с биологами-рыбоводами исследовательской станции Лизард Айленд в Австралии для сбора и изучения образцов.

Исследователям было особенно интересно узнать, как E. viviparus подпитывает свои экстремальные метаболические потребности. Бактерии, которые питаются питательными веществами из окружающей среды, а не вырабатывают собственную энергию из солнечного света, обычно делятся на два лагеря: те, у кого есть доступ к кислороду, и те, у кого его нет. Без кислорода бактерии часто используют ферментацию для извлечения энергии, и «ферментирующие организмы просто не получают столько пользы от питательных веществ», — сказал Ангерт.

Тот факт, что E. viviparus действительно является ферментатором, только усложнил головоломку, поскольку ее огромный размер, экстремальное размножение и способность плавать потребовали бы больше энергии, а не меньше.

Исследователи обнаружили, что E. viviparus изменила свой метаболизм, чтобы максимально использовать окружающую среду, используя редкий метод получения энергии и передвижения (тот же метод плавания используют бактерии, вызывающие холеру), а также посвятив огромную часть своего генетического кода выработке ферментов, которые могут собирать питательные вещества, доступные в кишечнике хозяина. К числу наиболее производимых ферментов относятся те, которые используются для производства АТФ, энергетической валюты всех клеток. Сильно свернутая мембрана, проходящая по внешнему краю E. viviparus, обеспечивает важное пространство для белков, вырабатывающих и транспортирующих энергию, с некоторым удивительным сходством с тем, как функционируют митохондрии в клетках более сложных организмов, сказал Ангерт.

«Мы все знаем фразу «митохондрии — это электростанция клетки», — сказал Ангерт. — И удивительно, что эти мембраны E. viviparus в некотором роде построены по той же модели, что и митохондрии: у них сильно изогнутая мембрана, которая увеличивает площадь поверхности, на которой могут работать эти насосы, вырабатывающие энергию, и эта увеличенная площадь поверхности создает электростанцию энергии».

Это фундаментальное исследование имеет множество потенциальных применений в будущем, особенно учитывая, что E. viviparus обладает такими эффективными стратегиями использования питательных веществ, содержащихся в водорослях, сказал Ангерт. Водоросли становятся растущей мишенью для кормов для скота, возобновляемых источников энергии и питания человека, поскольку их рост не конкурирует с наземным сельским хозяйством.

Первым автором исследования является Дэвид Саннино, доктор философии, которому исполнилось 17 лет, бывший постдокторант лаборатории Ангерта. Другими соавторами являются Франсин Арройо, доктор философии 19 лет и бывшие исследователи-постдокторанты Чарльз Пепе-Ранни и Венбо Чен; и Жан-Мари Волланд и Натали Элизабет, оба из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.

Это исследование было поддержано Национальным научным фондом и Министерством энергетики.