V karibském mangrovovém lese vědci objevili druh bakterií, které dorůstají velikosti a tvaru lidské řasy.
Tyto buňky jsou největší bakterie, jaké byly kdy pozorovány, tisíckrát větší než známější bakterie, jako je Escherichia coli. „Bylo by to jako setkání s dalším člověkem velikosti Mount Everestu,“ řekl Jean-Marie Volland, mikrobiolog z Joint Genome Institute v Berkeley v Kalifornii.
Dr. Volland a jeho kolegové publikovali svou studii bakterií nazvanou Thiomargarita magnifica ve čtvrtek v časopise Science.
Vědci si kdysi mysleli, že bakterie jsou příliš jednoduché na to, aby produkovaly velké buňky. Ale Thiomargarita magnifica se ukazuje jako pozoruhodně složitá. Vzhledem k tomu, že většina bakteriálního světa ještě není prozkoumána, je zcela možné, že ještě větší, ještě složitější bakterie čekají na své objevení.
Je to asi 350 let, co holandský brusič čoček Antonie van Leeuwenhoek objevil bakterie škrábáním zubů. Když dal zubní plak pod primitivní mikroskop, byl ohromen, když viděl plavat jednobuněčné organismy. Během následujících tří století našli vědci mnohem více druhů bakterií, z nichž všechny byly pouhým okem neviditelné. Buňka E. coli například měří asi dva mikrony nebo méně než deset tisícin palce.
Každá bakteriální buňka je svým vlastním organismem, což znamená, že může růst a rozdělit se na pár nových bakterií. Ale bakteriální buňky často žijí společně. Van Leeuwenhoekovy zuby byly potaženy rosolovitým filmem obsahujícím miliardy bakterií. V jezerech a řekách se některé bakteriální buňky slepí a vytvoří drobná vlákna.
My lidé jsme mnohobuněčné organismy, naše těla tvoří asi 30 bilionů buněk. I když jsou naše buňky také neviditelné pouhým okem, jsou obvykle mnohem větší než buňky bakterií. Lidská vaječná buňka může dosáhnout průměru asi 120 mikronů, neboli pěti tisícin palce.
Buňky jiných druhů mohou narůst ještě větší: Zelená řasa Caulerpa taxifolia produkuje buňky ve tvaru čepele, které mohou dorůst až stopě dlouhé.
Když se objevila propast mezi malými a velkými buňkami, vědci se zaměřili na evoluci, aby tomu dali smysl. Zvířata, rostliny a houby patří do stejné evoluční linie, nazývané eukaryota. Eukaryota sdílejí mnoho adaptací, které jim pomáhají budovat velké buňky. Vědci usoudili, že bez těchto adaptací musí bakteriální buňky zůstat malé.
Pro začátek potřebuje velká buňka fyzickou podporu, aby se nezhroutila nebo neroztrhla. Eukaryotní buňky obsahují tuhé molekulární dráty, které fungují jako tyče ve stanu. Bakterie však tuto buněčnou kostru nemají.
Velká buňka také čelí chemické výzvě: Jak se její objem zvětšuje, molekulám trvá déle, než se unesou a setkají se se správnými partnery, aby provedly přesné chemické reakce.
Eukaryota vyvinula řešení tohoto problému vyplněním buněk malými oddíly, kde mohou probíhat odlišné formy biochemie. Udržují svou DNA stočenou ve vaku zvaném jádro spolu s molekulami, které mohou číst geny, aby vytvořily proteiny, nebo proteiny produkují nové kopie DNA, když se buňka reprodukuje. Každá buňka vytváří palivo uvnitř váčků zvaných mitochondrie.
Bakterie nemají kompartmenty nalezené v eukaryotických buňkách. Bez jádra každá bakterie obvykle nese smyčku DNA volně plovoucí kolem jejího nitra. Také nemají mitochondrie. Místo toho typicky generují palivo s molekulami uloženými v jejich membránách. Toto uspořádání funguje dobře pro malé buňky. Ale jak se objem článku zvětšuje, na povrchu článku není dostatek místa pro dostatek molekul vytvářejících palivo.
Zdálo se, že jednoduchost bakterií vysvětluje, proč byly tak malé: Prostě neměly složitost nezbytnou k tomu, aby se staly velkými.
Podle Shaileshe Datea, zakladatele Laboratoře pro výzkum komplexních systémů v Menlo Parku v Kalifornii a spoluautora s doktorem Vollandem, byl však tento závěr učiněn příliš unáhleně. Vědci provedli rozsáhlé zobecnění o bakteriích poté, co studovali jen malou část bakteriálního světa.
„Právě jsme poškrábali povrch, ale byli jsme velmi dogmatičtí,“ řekl.
Toto dogma začalo praskat v 90. letech. Mikrobiologové zjistili, že některé bakterie si nezávisle vyvinuly vlastní kompartmenty. Objevili také druhy, které byly viditelné pouhým okem. Například Epulopiscium fishelsoni se objevilo v roce 1993. Bakterie žijící v chrasticích dorůstá délky 600 mikronů – větší než zrnko soli.
Olivier Gros, biolog z University of the Antilles, objevil Thiomargarita magnifica v roce 2009 při průzkumu mangrovových lesů Guadeloupe, shluku karibských ostrovů, které jsou součástí Francie. Mikrob vypadal jako miniaturní kousky bílých špaget, tvořící plášť na listech mrtvých stromů plovoucích ve vodě.
Dr. Gros nejprve nevěděl, co našel. Myslel si, že špagety mohou být houby, drobné houbičky nebo nějaké jiné eukaryoty. Ale když on a jeho kolegové extrahovali DNA ze vzorků v laboratoři, ukázalo se, že jde o bakterie.
Dr. Gros spojil síly s Dr. Vollandem a dalšími vědci, aby se na podivné organismy podívali blíže. Zajímalo je, zda jsou bakterie mikroskopickými buňkami slepenými dohromady do řetězců.
Ukázalo se, že tomu tak není. Když výzkumníci nahlédli dovnitř bakteriálních nudlí elektronovým mikroskopem, uvědomili si, že každá z nich je vlastní gigantická buňka. Průměrná buňka měřila na délku asi 9 000 mikronů a největší měla 20 000 mikronů – dost dlouhá na to, aby překlenula průměr penny.
Studie na Thiomargarita magnifica postupovaly pomalu, protože Dr. Vallant a jeho kolegové teprve přišli na to, jak pěstovat bakterie ve své laboratoři. Prozatím musí Dr. Gros shromáždit novou zásobu bakterií pokaždé, když chce tým provést nový experiment. Najde je nejen na listech, ale i na lasturách ústřic a plastových lahvích, které sedí na usazeninách bohatých na síru v mangrovových lesích. Ale zdá se, že bakterie následují nepředvídatelný životní cyklus.
„Za poslední dva měsíce je nemůžu najít,“ řekl Dr. Gros. „Nevím, kde jsou.“
Uvnitř buněk Thiomargarita magnifica vědci objevili bizarní, komplikovanou strukturu. Jejich membrány mají v sobě zabudované mnoho různých druhů oddílů. Tyto kompartmenty jsou na rozdíl od těch v našich vlastních buňkách, ale mohou umožnit Thiomargarita magnifica růst do obrovských velikostí.
Některá oddělení se zdají být továrnami na výrobu paliva, kde mikrob může využít energii v dusičnanech a dalších chemikáliích, které spotřebuje v mangrovech.
Thiomargarita magnifica má také další oddělení, která vypadají pozoruhodně jako lidská jádra. Každý z oddílů, které vědci nazývají pepiny podle malých semen v ovoci, jako je kiwi, obsahuje smyčku DNA. Zatímco typická bakteriální buňka má pouze jednu smyčku DNA, Thiomargarita magnifica jich má stovky tisíc, z nichž každá je zastrčená ve svém vlastním pepinu.
Ještě pozoruhodnější je, že každý pepin obsahuje továrny na stavbu proteinů z jeho DNA. „V buňkách mají v podstatě málo buněk,“ řekla Petra Levinová, mikrobioložka z Washingtonské univerzity v St. Louis, která se studie nezúčastnila.
Obrovská zásoba DNA Thiomargarita magnifica jí může umožnit vytvořit další potřebné proteiny, aby se zvětšily. Každý pepin může vytvářet speciální sadu proteinů potřebných ve své vlastní oblasti bakterie.
Dr. Volland a jeho kolegové doufají, že poté, co začnou pěstovat bakterie, budou schopni tyto hypotézy potvrdit. Budou také řešit další záhady, například to, jak je bakterie schopna být tak odolná bez molekulární kostry.
„Můžete vyjmout jediné vlákno z vody pomocí pinzety a dát ho do jiné nádoby,“ řekl Dr. Volland. „Jak drží pohromadě a jak získává svůj tvar – to jsou otázky, na které jsme nezodpověděli.“
Dr. Date řekl, že může existovat více obřích bakterií, které čekají na nalezení, možná dokonce větší než Thiomargarita magnifica.
„Jak velké mohou být, ve skutečnosti nevíme,“ řekl. „Ale teď nám tato bakterie ukázala cestu.“