Гигантские бактерии, видимые невооруженным глазом, обладают невиданным ранее типом метаболизма

Бактерии — самые мелкие и распространенные живые существа на Земле. Большинство из них настолько малы, что их можно увидеть только под микроскопом. Однако существует один вид бактерий, который выбивается из этого правила. Это Epulopiscium — гигантские бактерии, которые живут в симбиозе с тропическими рыбами-хирургами. Эти одноклеточные гиганты имеют в миллион раз больший объем, чем их известные родственники, E. coli, и могут быть различены невооруженным глазом. Каким образом эти бактерии достигли таких размеров и как они функционируют внутри рыбы?


Ученые впервые расшифровали геном одного из представителей этого удивительного вида — Epulopiscium sp. типа A1, который был извлечен из кишечника рыбы Naso tonganus, обитающей в Красном море. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications и позволили узнать много нового о биологии и эволюции этих бактерий.

Геном Epulopiscium sp. типа A1 состоит из двух кольцевых хромосом, общей длиной около 4,1 миллиона пар оснований. Это в два раза больше, чем у E. coli, но не самый большой геном среди бактерий. Однако Epulopiscium sp. типа A1 обладает еще одной особенностью — он имеет очень высокий уровень полиплоидии, то есть наличия нескольких копий генома в одной клетке. Ученые обнаружили, что в среднем в каждой клетке Epulopiscium sp. типа A1 содержится около 200 тысяч копий генома. Это рекордное значение среди всех известных бактерий и даже превышает уровень полиплоидии у некоторых растений и животных.

Зачем бактерии нужно так много копий генома? Ученые предполагают, что это связано с их большим размером и малой поверхностью клеточной мембраны. Поскольку бактерии полагаются на диффузию для транспортировки веществ внутри клетки, а не на цитоскелет, как у эукариот, то им необходимо иметь много мест, где происходит синтез белков и других биомолекул. Таким образом, полиплоидия позволяет бактериям увеличить свою метаболическую активность и адаптироваться к различным условиям среды.

Кроме того, полиплоидия может играть роль в репродукции Epulopiscium sp. типа A1. Эти бактерии имеют уникальный способ размножения, который напоминает живородность. Внутри материнской клетки образуются дочерние клетки, которые постепенно растут и занимают все больше места. Когда дочерние клетки достигают определенного размера, материнская клетка лизируется, то есть распадается, и дочерние клетки выходят наружу. Ученые обнаружили, что в процессе образования дочерних клеток происходит сегрегация геномных копий, то есть каждая дочерняя клетка получает определенное количество копий генома от материнской клетки. Это может быть механизмом, обеспечивающим генетическое разнообразие среди потомков.

Геномный анализ также показал, что Epulopiscium sp. типа A1 имеет много генов, связанных с обменом углеводов, аминокислот, витаминов и других питательных веществ. Это указывает на то, что эти бактерии могут использовать различные источники энергии и синтезировать необходимые для жизни соединения. В частности, ученые обратили внимание на наличие генов, кодирующих ферменты для расщепления целлюлозы и других полисахаридов, которые содержатся в растительной пище, потребляемой рыбами-хирургами. Это может свидетельствовать о том, что Epulopiscium sp. типа A1 помогает своему хозяину переваривать растительную клетчатку и получать из нее дополнительную энергию.

Таким образом, геномный анализ Epulopiscium sp. типа A1 раскрыл многие интересные особенности этих гигантских бактерий, которые позволяют им жить в симбиозе с рыбами-хирургами. Однако это только один из многих видов Epulopiscium, которые имеют различные формы и размеры. Ученые надеются, что дальнейшие исследования помогут узнать больше о биологии и эволюции этих удивительных бактерий и их роли в экосистемах тропических морей.

Но, что самое удивительное, оказывается, что E. viviparus является ферментатором, но это кажется невероятным, потому что он огромен, размножается быстро и может плавать — все это требует относительно большого количества энергии.

Похоже, что бактерии оптимизировали свой метаболизм под среду кишечника рыбы, которая богата натриевыми ионами. Поток натриевых ионов через клеточные мембраны генерирует мощную «натриевую движущую силу» для получения энергии и вращения своих волосковых отростков, называемых жгутиками, для передвижения.