Wissenschaftler entdecken die größten Bakterien aller Zeiten

Wissenschaftler haben in einem Mangrovenwald in der Karibik eine Bakterienart entdeckt, die die Größe und Form einer menschlichen Wimper erreicht.

Diese Zellen sind die größten jemals beobachteten Bakterien, tausendmal größer als bekannte Bakterien wie Escherichia coli. „Es wäre, als würde man einen anderen Menschen von der Größe des Mount Everest treffen“, sagte Jean-Marie Foland, Mikrobiologe am Joint Genome Institute in Berkeley, Kalifornien.

DR.. Voland und Kollegen veröffentlicht Ihre Studie über ein Bakterium namens Thiomargarita magnifica wird am Donnerstag in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Wissenschaftler glaubten einst, dass Bakterien zu einfach seien, um große Zellen zu produzieren. Aber Thiomargarita magnifica erweist sich als bemerkenswert komplex. Da der größte Teil der Bakterienwelt noch nicht erforscht ist, ist es durchaus möglich, dass noch größere und komplexere Bakterien darauf warten, entdeckt zu werden.

Es ist etwa 350 Jahre her, dass der niederländische Linsenschleifer Anthony van Leeuwenhoek die Bakterien entdeckte, indem er seine Zähne kratzte. Als er Zahnbelag unter ein primitives Mikroskop legte, war er erstaunt, Einzeller herumschwimmen zu sehen. In den nächsten drei Jahrhunderten fanden Wissenschaftler viele andere Arten von Bakterien, die alle mit bloßem Auge unsichtbar waren. Escherichia coli-Zelle beispielsweise misst etwa Mikronoder weniger als zehn Tausendstel Zoll.

Jede Bakterienzelle ist ein eigener Organismus, was bedeutet, dass sie wachsen und sich in ein Paar neuer Bakterien teilen kann. Aber Bakterienzellen leben oft zusammen. Van Leeuwenhoeks Zähne sind mit einem geleeartigen Film überzogen, der Milliarden von Bakterien enthält. In Seen und Flüssen kleben manche Bakterienzellen sehr klein zusammen Saiten.

Wir Menschen sind vielzellige Lebewesen, unser Körper besteht aus ca 30 Billionen Zellen. Obwohl unsere Zellen mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, sind sie normalerweise viel größer als die in Bakterien. Die menschliche Eizelle erreichen kann 120 Mikron im Durchmesser oder fünf Tausendstel Zoll.

Zellen anderer Arten können größer werden: Die Grünalge Caulerpa taxifolia produziert blattförmige Zellen, die anwachsen können Fußlänge.

Als die Kluft zwischen kleinen und großen Zellen auftauchte, wandten sich die Wissenschaftler der Evolution zu, um sie zu verstehen. Alle Tiere, Pflanzen und Pilze gehören derselben evolutionären Linie an, die Eukaryoten genannt werden. Eukaryoten teilen viele Anpassungen, die ihnen helfen, große Zellen aufzubauen. Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass Bakterienzellen ohne diese Anpassungen klein bleiben müssten.

Zu Beginn braucht ein großer Bienenstock physische Unterstützung, damit er nicht zusammenbricht oder reißt. Eukaryotische Zellen enthalten starre molekulare Drähte, die wie Stangen in einem Zelt wirken. Bakterien besitzen dieses Zytoskelett jedoch nicht.

Die große Zelle steht auch vor einer chemischen Herausforderung: Je größer sie wird, desto länger brauchen die Moleküle, um herumzukommen und die richtigen Partner zu treffen, um heikle chemische Reaktionen durchzuführen.

Eukaryoten haben eine Lösung für dieses Problem entwickelt, indem sie Zellen mit winzigen Fragmenten füllen, in denen unterschiedliche Formen der Biochemie auftreten können. Sie halten die DNA zusammen mit Molekülen, die Gene lesen können, um Proteine ​​herzustellen, oder Proteine ​​produzieren neue Kopien der DNA, wenn sich die Zelle reproduziert. Jede Zelle erzeugt Brennstoff in Säcken, die Mitochondrien genannt werden.

Bakterien haben nicht die Teile, die in eukaryotischen Zellen zu finden sind. Ohne Kern trägt jedes Bakterium normalerweise einen DNA-Ring, der frei in seinem Inneren schwebt. Sie haben auch keine Mitochondrien. Stattdessen erzeugen sie einen Brennstoff, normalerweise mit in ihre Membranen eingebetteten Partikeln. Diese Anordnung funktioniert gut mit kleinen Zellen. Aber wenn die Zelle größer wird, ist auf der Zelloberfläche nicht mehr genug Platz für kraftstofferzeugende Moleküle.

Die Einfachheit von Bakterien scheint zu erklären, warum sie so klein sind: Sie hatten nicht die Komplexität, die zum Heranwachsen notwendig ist.

Diese Schlussfolgerung wurde jedoch voreilig gezogen, so Shalish Dett, Gründer des Laboratory for Research in Complex Systems in Menlo Park, Kalifornien, und Co-Autor mit Dr. Voland. Wissenschaftler haben weitreichende Verallgemeinerungen über Bakterien gemacht, nachdem sie einen kleinen Teil der Bakterienwelt untersucht haben.

„Wir haben nur an der Oberfläche gekratzt“, sagte er, „aber wir waren sehr dogmatisch.“

Diese Orthodoxie begann in den 1990er Jahren zu bröckeln. Mikrobiologen haben herausgefunden, dass einige Bakterien selbstständig eigene Kompartimente entwickelt haben. Sie entdeckten auch Arten, die mit bloßem Auge sichtbar waren. Epulopiscium fishelsonizum Beispiel, erschien 1993. Wenn Bakterien in einem Doktorfisch leben, werden sie 600 Mikrometer lang – größer als ein Salzkorn.

Thiomargarita magnifica wurde 2009 von Olivier Gros, einem Biologen an der Universität der Antillen, bei der Vermessung von Mangrovenwäldern entdeckt Guadeloupe, eine Gruppe karibischer Inseln, die zu Frankreich gehören. Die Mikrobe sah aus wie kleine Stückchen weißer Spaghetti, die eine Schicht auf dem toten Blattwerk bildeten, das im Wasser schwamm.

Dr. Gross wusste zunächst nicht, was er gefunden hatte. Es wurde angenommen, dass Spaghetti ein Pilz, ein kleiner Schwamm oder ein anderer Eukaryot sein könnten. Aber als er und seine Kollegen im Labor DNA aus Proben extrahierten, stellten sie fest, dass es sich um Bakterien handelte.

Dr. Gross hat sich mit Dr. Voland und anderen Wissenschaftlern zusammengetan, um die außerirdischen Kreaturen genauer zu erforschen. Sie fragten sich, ob die Bakterien mikroskopisch kleine Zellen waren, die in Ketten zusammengeklebt waren.

Es stellt sich heraus, dass dies nicht der Fall ist. Als die Forscher mit Elektronenmikroskopen in die Bakterienpasta spähten, stellten sie fest, dass jede einzelne eine eigene Riesenzelle war. Die durchschnittliche Zelle ist etwa 9.000 Mikrometer lang, die größte 20.000 Mikrometer – lang genug, um einen Cent Durchmesser zu überspannen.

Die Studien über Thiomargarita magnifica sind nur langsam vorangekommen, weil Dr. Valante und seine Kollegen noch nicht herausgefunden haben, wie sie die Bakterien in ihrem Labor züchten können. Derzeit muss Dr. Gross jedes Mal, wenn das Team ein neues Experiment durchführen möchte, einen frischen Vorrat an Bakterien sammeln. Er findet es nicht nur auf Blättern, sondern auch auf Austernschalen und Plastikflaschen, die auf schwefelreichen Sedimenten im Mangrovenwald gefunden werden. Aber die Bakterien scheinen einem unerwarteten Lebenszyklus zu folgen.

„In den letzten zwei Monaten habe ich sie nicht gefunden“, sagte Dr. Gross. „Ich weiß nicht, wo sie sind.“

In den Zellen von Thiomargarita magnifica haben Forscher eine seltsame und komplexe Struktur entdeckt. In ihre Membranen sind verschiedene Arten von Kompartimenten eingebaut. Diese Kompartimente unterscheiden sich von denen in unseren Zellen, aber sie können es Thiomargarita magnifica ermöglichen, zu riesigen Größen heranzuwachsen.

Einige der Kammern scheinen Brennstoffanlagen zu sein, in denen die Mikrobe die Energie in den Nitraten und anderen Chemikalien nutzen kann, die sie in den Mangrovenwäldern verbraucht.

Thiomargarita magnifica enthält auch andere Kompartimente, die bemerkenswert wie menschliche Kerne aussehen. Jedes Kompartiment, das Wissenschaftler nach den winzigen Samen in einer Frucht wie einer Kiwi Pepin genannt haben, enthält einen DNA-Ring. Während eine typische Bakterienzelle nur eine DNA-Schleife enthält, hat Thiomargarita magnifica Hunderttausende von ihnen, jede in einer eigenen Pipette.

Am wichtigsten ist, dass jedes Pepin Fabriken zum Aufbau von Proteinen aus seiner DNA enthält. „Sie haben im Grunde kleine Zellen in den Zellen“, sagte Petra Levine, Mikrobiologin an der Washington University in St. Louis, die nicht an der Studie beteiligt war.

Der riesige DNA-Vorrat von Thiomargarita magnifica kann es ihr ermöglichen, die zusätzlichen Proteine ​​herzustellen, die sie benötigt. Jedes Pepin kann einen speziellen Satz von Proteinen herstellen, die in seiner eigenen Bakterienregion benötigt werden.

Dr. Voland und seine Kollegen hoffen, dass sie diese Hypothesen bestätigen können, nachdem sie mit der Kultivierung der Bakterien begonnen haben. Sie werden auch andere Geheimnisse angehen, wie zum Beispiel, wie Bakterien ohne ein molekulares Skelett so hart sein können.

„Sie können einen Wasserstrang mit einer Pinzette herausnehmen und in eine andere Schüssel geben“, sagte Dr. Foland. „Wie es zusammenhält und wie es Gestalt annimmt – das sind Fragen, die wir nicht beantwortet haben.“

Dr. Deet sagte, dass es möglicherweise noch mehr Riesenbakterien gibt, die darauf warten, gefunden zu werden, vielleicht sogar größer als Thiomargarita magnifica.

„Wie viel sie erreichen können, wissen wir nicht wirklich“, sagte er. „Aber jetzt haben uns diese Bakterien den Weg gezeigt.“