Gigantische bacteriën zichtbaar voor het blote oog

De meeste bacteriën zijn enkele micrometers groot en kunnen alleen met een microscoop worden gezien. Maar onderzoekers hebben nu voor het eerst bacteriën ontdekt die met het blote oog te zien zijn. De cellen van de bacteriesoorten die zijn aangetroffen in de wateren van de mangrovebossen van Guadeloupe, vormen witte draden tot twee centimeter lang. Het team meldt dat hun genoom drie keer groter is dan dat van een typische prokaryoten en meer genetische kopieën bevat dan enige andere bekende cel. Ook ongebruikelijk aan de bacterie genaamd Thiomargarita magnifica is dat het zijn genetisch materiaal combineerde met eiwitproducerende ribosomen in veel kleine vliezige zakjes – het genetische materiaal van de bacterie bevindt zich meestal vrij in de celvloeistof.

Bacteriën worden niet voor niets geclassificeerd als micro-organismen: de meeste bacteriecellen zijn slechts enkele micrometers groot en zijn met het blote oog niet te zien. Pas de laatste jaren hebben wetenschappers ongewoon grote vertegenwoordigers van dergelijke microben ontdekt in de zee en in zoet water. Deze gigantische bacteriën kunnen enkele honderden micrometers groot worden. De grootste bacteriesoort, Thiomargarita namibiensis, werd in 1997 ontdekt op de zeebodem voor de kust van Namibië. Hij is tot 750 micrometer groot en bereikt daarmee afmetingen die in de orde zijn van wat mogelijk is voor prokaryoten – althans dat is wat werd gedacht. Omdat prokaryoten, in tegenstelling tot de cellen van eukaryote organismen, geen celkern hebben, zijn er nauwelijks actieve transportmechanismen en hebben ze zelden cellulaire compartimenten. Ze kunnen dus alleen voedingsstoffen en celspecifieke moleculen opnemen en deze door passieve diffusie in hun cellen verdelen. Dit beperkt de maximale grootte waarop zo’n eenvoudig georganiseerde cel nog kan functioneren.

Witte draden in de mangrovemodder

Maar nu heeft een team onder leiding van Jean-Marie Voland van het Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley de ontdekking van een nog grotere bacterie aangekondigd. Het werd ontdekt door zeebioloog Olivier Gros van de Universiteit van de Antillen in Guadeloupe toen hij op zoek was naar zwaveloxiderende organismen in de zwavelrijke modder van mangrovebossen. Let op de witte draden die aan de gevallen bladeren in het sediment leken te plakken. “Deze filamenten hadden een rietachtige vorm en zakten geleidelijk weg naar de top, waar een soort knop te zien was”, aldus de onderzoekers. Deze witte snoeren waren gemiddeld 9,7 mm lang, maar sommige snoeren bereikten ook een lengte van 20 mm. Om erachter te komen wat het was, verzamelden de wetenschappers enkele monsters en onderzochten ze vervolgens in het laboratorium met behulp van elektronenmicroscopie, fluorescentiemicroscopen en röntgentomografie.

Tot verbazing van het onderzoeksteam bleken dit geen meercellige structuren te zijn, zoals aanvankelijk werd aangenomen. In plaats daarvan bestaat elk filament uit slechts één bacteriecel. “Het is 5.000 keer groter dan de meeste bacteriën”, zegt Volland. “Ter vergelijking: iemand van deze grootte zou zo groot zijn als de Mount Everest.” Het celvolume en het cytoplasmatische volume van deze cellen is dus veel hoger dan wat eerder werd beschouwd als de maximale limiet voor prokaryotische cellen. “Deze bevinding roept nieuwe vragen op over de morfologie van de bacteriën”, zegt Gross. Het onderzoeksteam noemde hun nieuwe ontdekking Thiomargarita magnifica. De geslachtsnaam Thiomargarita geeft aan dat deze soort nauw verwant is aan de eerder bekende zwaveloxiderende reuzenbacteriën.

Enorm genoom, individueel verpakt

Om erachter te komen waarom deze bacteriën zo groot kunnen worden en hoe hun interieur eruitziet, hebben Voland en zijn collega’s hun ontdekking onderworpen aan DNA-analyse en andere laboratoriumtests. Deze resultaten onthulden dat het genoom van Thiomargarita magnifica ook ongewoon groot is: het bevat 11.788 eiwitcoderende genen – drie keer zoveel als het gemiddelde voor een bacteriële cel, aldus het team. Daarnaast bevat het genoom gemiddeld 36.880 genkopieën per millimeter filamentlengte. Er kunnen meer dan 730.000 genkopieën in een streng van 2 cm zijn. De onderzoekers melden dat “het aantal genkopieën daarom een ​​orde van grootte groter is dan bij andere gigantische bacteriën.” “Thiomargarita magnifica heeft het hoogste aantal genkopieën dat ooit in een cel is gevonden.” De genen voor zwaveloxidatie en koolstoffixatie waren bijzonder verrijkt, wat wijst op hun chemisch gevoed dieet. Uit de analyses bleek ook dat de atypische set genen voor celdeling en celverlenging nauw verband houdt met de explosieve groei van cellen.

Maar nog bizarder is de manier waarop het genoom zich in de gigantische bacteriën bevindt. Normaal gesproken wordt prokaryotisch DNA gedetecteerd in het cytoplasma en is er geen kern of ander compartiment van het DNA. Dit is anders bij Thiomargarita magnifica: “De grootste verrassing was dat de vele kopieën van het genoom zijn verpakt in structuren die een membraan hebben”, zegt Voland. “Dit is onverwacht voor bacteriën.” Microfoto’s toonden aan dat de langwerpige bacteriecel een met vloeistof gevulde centrale holte had, een vacuole. Aan de buitenkant bevindt zich het cytoplasma, dat veel kleine vliezige zakjes bevat, elk met een stukje DNA en enkele ribosomen. “Deze verdeling van DNA en ribosomen doet denken aan de kern en compartimenten van eukaryoten”, schrijven Volland en collega’s. Ze noemden de nieuw ontdekte bacteriële organel “pipin” – het Franse woord voor kleine kiwizaden en ander fruit.

Volgens het onderzoeksteam zouden deze interstitiële organellen, het extreem hoge aantal kopieën in het genoom en de grote vacuole in het midden van de cel een verklaring kunnen zijn voor hoe de nieuw ontdekte gigantische bacterie opzwol. Omdat deze aanpassingen het diffusieprobleem kunnen verminderen door het genoom over de hele lengte van de cel te verdelen en ook door alle componenten dicht bij het celmembraan te concentreren. “Als we de biologie, het energiemetabolisme, de vorming, de rol en de aard van liganden in meer detail bestuderen, kan het ons helpen begrijpen hoe biologische complexiteit evolueert”, leggen Volland en zijn team uit. “De ontdekking van Thiomargarita magnifica suggereert dat er mogelijk grotere en complexere bacteriën zijn die we nog niet eerder hebben waargenomen.”

Bron: Jean-Marie Voland (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley) et al., Science, doi: 10.1126/wetenschap. abb3634

© wissenschaft.de – Nadia Podebregaard