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A centimeter-long bacterium with DNA compartmentalized in membrane-bound organelles 作者：Jean-Marie Volland, Silvina Gonzalez-Rizzo, Olivier Gros, Tomáš Tyml, Natalia Ivanova, Frederik Schulz, Danielle Goudeau, Nathalie H Elisabeth, Nandita Nath, Daniel Udwary, Rex R Malmstrom, Chantal Guidi-Rontani, Susanne Bolte-Kluge, Karen M Davies, Maïtena R Jean, Jean-Louis Mansot, Nigel J Mouncey, Esther Angert, Tanja Woyke, Shailesh V Dat 发表时间：2022/02/18 数字识别码：10.1101/2022.02.16.480423 摘要： Cells of most bacterial species are around 2 µm in length, with some of the largest specimens reaching 750 µm. Using fluorescence, x-ray, and electron microscopy in conjunction with genome sequencing, we characterized Ca. Thiomargarita magnifica, a bacterium with an average cell length greater than 9,000 µm that is visible to the naked eye. We found that these cells grow orders of magnitude over theoretical limits for bacterial cell size through unique biology, display unprecedented polyploidy of more than half a million copies of a very large genome, and undergo a dimorphic life cycle with asymmetric segregation of chromosomes in daughter cells. These features, along with compartmentalization of genomic material and protein synthesis in membrane-bound organelles, indicate gain of complexity in the Thiomargarita lineage, and challenge traditional concepts of bacterial cells. 在我们的印象中，细菌是一类生活在微观世界、肉眼不可见的简单生物。一般的细菌体型只有微米尺度，只有在显微镜下，这些无处不在的生命才得以现身。但最近，科学家在加勒比群岛的红树林中，发现了一种体长可达2厘米的巨型细菌。这一发现不仅足以颠覆你对细菌的认知，还可能填补上原核生物向真核生物演化道路上缺失的一环。
▲最新研究发现的巨型细菌的扫描电镜照片（图片来源：参考资料[1]）发现这种巨型细菌的，是瓜德罗普大学的海洋生物学家Olivier Gros教授。大约10年前，他在当地沿海的红树林中观察时，注意到在腐烂的红树落叶表面，生长着一些形似白色纤毛的生物。Gros教授团队在后续研究中确认这是一类细菌，但他们并没有予以特别的关注。毕竟，微生物聚集形成肉眼可见的结构，也不是什么怪事。直到最近，当研究团队使用显微观测和染色手段来研究这种生物时，难以置信的结果出现了：这些平均长0.9厘米、最长可达2厘米的细长 “纤毛”，就是已知体型最大的细菌个体。目前，这篇论文已被上传至预印本平台，等待同行评议。在这项发现之前，已知最大的细菌是一种体长近1毫米的硫细菌。由于发现地点是纳米比亚海岸的沉积物，因此这种细菌被命名为纳米比亚嗜硫珠菌（Thiomargarita namibiensis）。相比之下，此次发现的新型细菌，体长至少是前者的10倍。这些细菌为什么可以长到惊人的2厘米长？要回答这个问题，我们首先要知道的是，细菌的体型为什么通常都很小？细菌往往体型很小的一个重要原因是，它们通过分子扩散的方式完成进食、呼吸、排出废物等生命活动，这显然限制了分子能够移动的距离。换句话说，如果细胞体型过大，那么部分区域将无法得到足够的营养。而无论是纳米比亚嗜硫珠菌，还是最新研究中的巨型细菌，体内都有巨大的囊泡状结构，这很可能是帮助它们维持生命活动的关键。在最新研究中，显微镜下，这种细菌含有被膜包裹、充满液体的囊泡状细胞器，细菌的DNA也被包裹在“囊泡”中。这些“囊泡”占据了整个细胞体积的73%，它们的存在使得细胞内容物被挤压到靠近细胞壁的区域。这时，巨型细菌的物质扩散就不再是障碍了：由于细胞内容物紧贴着细胞内壁，因此分子不需要扩散很远的距离，就能支持细胞的生命活动。
▲T. magnifica的形态以及与其他生物的体型对比（图片来源：参考资料[1]）由于形态的相似性和随后的遗传学研究结果，研究团队将这种细菌同样归类为嗜硫珠菌属，命名为Thiomargarita magnifica（意为巨大嗜硫珠菌）。这个“囊泡”结构的出现，不仅解释了细菌巨大体型的由来，还让它们拥有与普通原核生物不同的结构。我们知道，对于包括细菌在内的原核生物，它们的一大特征是DNA没有核膜的包裹，而是裸露在整个细胞中。相反，来自最新研究的细菌却和真核生物的细胞一样：遗传物质被膜结构包裹，细胞含有带特定功能的细胞器。这项研究的共同通讯作者，现任职于劳伦斯伯克利国家实验室的Jean-Marie Volland博士表示，这项研究说明，作为生命的两大分支，原核生物与真核生物并没有此前想象的那样迥然不同。随后的DNA测序结果显示，最新发现的嗜硫珠菌基因组异常庞大：含有1100万对碱基，至少包括1.1万个基因。作为对比，一般的细菌基因组含有400万对碱基以及不到4000个基因。此外，细菌的“囊泡”中还含有蛋白质合成工厂核糖体，提升了根据遗传物质合成蛋白质的效率。从细胞结构到基因组，这一系列独特的性质赋予这种细菌超乎寻常的复杂性，原核生物与真核生物的界限似乎在这里变得模糊。我们不知道地球上还藏着哪些更加奇特的细菌，但至少，这项研究提醒我们：细菌远比我们想象得更加复杂。[1] Jean-Marie Volland et al., A centimeter-long bacterium with DNA compartmentalized in membrane-bound organelles. biorxiv. doi: https:///10.1101/2022.02.16.480423[2] Largest bacterium ever discovered has an unexpectedly complex cell. Retrieved Feb. 23, 2022 from https://www./content/article/largest-bacterium-ever-discovered-has-unexpectedly-complex-cells
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