Первые детальные микроскопические свидетельства бактерий на нижнем пределе размера жизни

Учёные впервые получили детальные микроскопические изображения ультрамалых бактерий, которые, как считается, близки к минимально возможному для жизни размеру. Исследование провели специалисты из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США и Калифорнийского университета в Беркли. Существование ультрамалых бактерий обсуждалось два десятилетия, но до сих пор не было комплексного описания этих микробов с помощью электронной микроскопии и анализа ДНК.

Объём этих клеток в среднем составляет 0,009 кубических микрон (один микрон — это одна миллионная метра). Около 150 таких бактерий могут поместиться внутри клетки Escherichia coli, а более 150 000 клеток — на кончике человеческого волоса.

Учёные сообщили о своих выводах в журнале Nature Communications.

Эти разнообразные бактерии были обнаружены в грунтовых водах и, вероятно, довольно распространены. Они также весьма необычны, что неудивительно, учитывая, что их размер близок или даже меньше нескольких теоретических оценок нижнего предела размера для жизни — минимального объёма, необходимого клетке для размещения достаточного количества материала для поддержания жизнедеятельности. Бактериальные клетки имеют плотно упакованные спирали, вероятно, представляющие собой ДНК, очень малое количество рибосом, волосовидные выросты и упрощённый метаболизм, который, вероятно, вынуждает их полагаться на другие бактерии для получения многих жизненно необходимых веществ.

Бактерии принадлежат к трём плохо изученным филам микробов. Изучение организмов из этих фил может пролить свет на роль микробов в климате планеты, наших запасах пищи и воды, а также других ключевых процессах.

«Эти недавно описанные ультрамалые бактерии являются примером части микробной жизни на Земле, о которой мы почти ничего не знаем», — говорит Джилл Бэнфилд, старший научный сотрудник Отдела наук о Земле лаборатории в Беркли и профессор Калифорнийского университета в Беркли.

«Они загадочны. Эти бактерии обнаруживаются во многих средах и, вероятно, играют важную роль в микробных сообществах и экосистемах. Но мы ещё не до конца понимаем, что именно делают эти ультрамалые бактерии», — добавляет Бэнфилд.

Бэнфилд является соавтором статьи в Nature Communications вместе с Биргит Люф, бывшим постдокторантом в её группе, а ныне сотрудником Норвежского университета естественных и технических наук в Тронхейме.

«Не существует консенсуса относительно того, насколько маленьким может быть свободноживущий организм и каковы могут быть стратегии оптимизации пространства для клетки на нижнем пределе размера для жизни. Наше исследование — значительный шаг в характеристике размера, формы и внутренней структуры ультрамалых клеток», — говорит Люф.

Учёные поставили цель изучить бактерии из фил, не имеющих культивируемых представителей. У некоторых из этих бактерий очень маленькие геномы, поэтому учёные предположили, что и сами бактерии могут быть очень малы.

Для концентрирования этих клеток в образце профильтровали грунтовые воды, собранные в Рифле, Колорадо, через последовательно уменьшающиеся фильтры, вплоть до 0,2 микрона (размер, используемый для стерилизации воды). Полученные образцы были чем угодно, но не стерильными. Они были обогащены невероятно крошечными микробами, которые были мгновенно заморожены до -272°C с помощью портативной версии устройства под названием криоплунджер. Это гарантировало, что микробы не будут повреждены при транспортировке с места отбора проб в лабораторию.

Замороженные образцы доставили в лабораторию Беркли, где Люф с помощью Луиса Комолли из Отдела наук о жизни охарактеризовала размер и внутреннюю структуру клеток с помощью 2D и 3D криогенной просвечивающей электронной микроскопии. На изображениях также были видны делящиеся клетки, что указывало на здоровье бактерий и то, что их малый размер не был вызван голоданием.

Геномы бактерий секвенировали в Объединённом институте генома (Joint Genome Institute) под руководством Сюзанны Тринж. Длина геномов составила около одного миллиона пар оснований. Кроме того, в Калифорнийском университете в Беркли провели метагеномный и другой ДНК-анализ образцов, который выявил разнообразный спектр бактерий из фил WWE3, OP11 и OD1.

Сочетание инновационных полевых работ и передовой микроскопии с геномным анализом позволило получить наиболее полное на сегодняшний день описание ультрамалых бактерий.

Среди находок:

• Некоторые бактерии имеют нитевидные выросты — пили, которые могут служить «каналами жизнеобеспечения» для связи с другими микробами.
• Геномные данные указывают, что бактериям не хватает многих базовых функций, поэтому они, вероятно, полагаются на сообщество микробов для получения критически важных ресурсов.

Учёные также осознали, как много ещё предстоит узнать об ультрамалой жизни. «Мы не знаем функции половины генов, которые мы нашли у организмов из этих трёх фил», — говорит Бэнфилд.

Учёные также использовали источник продвинутого света (Advanced Light Source), где Хой-Инг Холман из Отдела наук о Земле помогла определить, что большинство клеток в образцах — это бактерии, а не археи.

Исследование является значительным вкладом в знания об ультрамалых организмах. Ранее учёные оценили объём клетки морской бактерии в 0,013 кубических микрона, но использовали методику, не измерявшую диаметр клетки напрямую. Также существуют более ранние изображения, полученные с помощью электронной микроскопии, представителей линии архей с объёмом клеток до 0,009 кубических микрона, схожим с этими бактериями, включая результаты от некоторых из тех же исследователей. Вместе эти находки подчёркивают существование малых клеток с необычным и довольно ограниченным метаболическим потенциалом в двух из трёх основных ветвей древа жизни.