Science：长达9000微米的巨型细菌挑战人类的刻板印象！

2022年6月24日，Science发表了题为“A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles”的研究文章。来自美国能源部联合基因组研究所（Joint Genome Institute，JGI）的科学家们在红树林沼泽中发现了一种巨型的丝状单体细菌，这种细胞肉眼可见，约有普通细菌的5000倍大！此外，科学家发现通过研究这种巨型细菌的形态、基因组特征及生命周期，发现其意想不到的复杂性。

图1 研究成果（图源：[1]）

● 巨型细菌的定性

2009年，这种细菌最初由法国安地列斯大学海洋生物学教授Olivier Gros在探索瓜德罗普岛的红树林时偶然间发现（图2）。在现场取样的水看起来像收集的雨水，里面掺杂了一些树叶、碎屑和“丝线”，而这些细如丝线漂浮在碎片杂物之上的就是单体细菌细胞。Gros一开始以为它是一种真菌。回到实验室用显微镜分析后，Gros才发现这种生物不是真核生物，而是一种氧化硫的原核生物。

图2 瓜德罗普岛的红树林取样点（来源：Olivier Groz）

随后，文章的第一作者Jean-Marie Volland作为博士后研究员加入Gros实验室，参与了巨型细菌的研究。2018年，回到美国劳伦斯伯克利国家实验室工作的Volland，利用硬X射线断层扫描技术，观察到整个细丝长达9.66毫米，证实它们属于巨大的单细胞生物，而非在其他大型硫细菌中常见的多细胞细丝。为了更详细地观察这些细丝和细胞膜，他还利用伯克利实验室现有的成像设施，如共聚焦激光扫描显微镜和透射电子显微镜（Transmission electron microscopy，TEM）观察到新的含有DNA簇的膜包围区室。

为了识别和分类这种原核生物，安地列斯大学分子生物学副教授、该研究的共同第一作者Silvina Gonzalez-Rizzo对其进行了16S rRNA基因测序，发现其属于Thiomargarita属的细菌，因此将其命名为Ca. Thiomargarita magnifica。

● 巨型细菌的基因组复杂性

Volland分析后发现，这些细菌含有比大多数细菌多三倍的基因，以及遍布整个细胞的数十万个基因组拷贝（多倍体）。Volland团队随后使用单细胞基因组学在分子水平上分析了五个细菌细胞，并对其基因组进行扩增、测序和组装。与此同时，通过使用了一种名为BONCAT的标记技术来确定参与蛋白制造活动的区域，他们发现并证实整个细菌细胞都处于活跃状态（图3）。

图3 Ca细菌的亚细胞组织的基因组分析（图源：[1]）

该论文共同通讯作者Shailesh Date说，“此项研究是一个很好的机会，证明复杂性也可存在于最简单的生物之中。未来我们有必要更详细地观察和研究这些生物的复杂性，因为这些非常简单的生物也有可能会带来一些惊喜。”

作者Sara Bender补充道，“这一突破性发现强调了支持基础性研究项目的重要性，只有这样我们才能对自然界更加了解。我们期待了解Ca. Thiomargarita magnifica的特征如何挑战当前构成细菌细胞的模式，并推动微生物研究的前进发展。”