細菌の「エベレスト」が出現！長さは最大2cm、肉眼でも見えます！

ざっと見てみると、試験管の中の少し濁った水は、葉や堆積物、そして細い「糸」が混ざった池の水と何ら変わらないように見えます。しかし、よく見ると、これらの糸状の物体は実際には葉の上に浮かんでいて、水中でゆっくりと揺れています...

それは寄生虫でしょうか？結局のところ、糸状の寄生虫は水中で非常に一般的ですが、科学者がこの「細い線」を顕微鏡で調べたとき、誰もが衝撃を受けました。これらの糸状の物体は、肉眼で見える単一の細菌細胞であることが判明したのです。

巨大細菌のレンダリング。画像出典: scitechdaily.com

細菌に対する私たちの通常の印象とは異なり、細菌は非常に小さく、そのほとんどは顕微鏡でしか見ることができず、細胞構造も単純です。今回科学者らが発見した細菌は、細菌界の「巨人」と呼べるだろう。

パート1

肉眼で見えるセンチメートルサイズの細菌

2022年6月、有名な科学誌「サイエンス」に細菌に関する研究が掲載されました。科学者たちは、体長約0.9センチ、最大で2センチに達する新種の細菌Ca.Thiomargarita magnificaを発見した。この大きさは細菌界では巨人と言えるでしょう。ほとんどの細菌はまだミクロンレベルにあり、1000ミクロンは1ミリメートルに相当することを知っておく必要があります。この種の細菌は、ほとんどの細菌よりも 5000 倍大きいです。あまり直感的な印象を持たないかもしれません。たとえば、ある人がエベレスト山と同じくらいの身長の人に出会ったとき、その違いはすぐにわかるようなものです。

巨大細菌と他の一般的な生物の比較 画像出典: 参考文献

おそらく、上の図はあまり直感的ではないかもしれません。以下のビデオを見ると、この細菌が肉眼でどれほど見えるかがわかります。

水中で揺れる巨大バクテリア 動画ソース: pictojam.com

形態学的には、細菌は白い糸状体で、基部から上部に向かって徐々に縮小して胞子を形成します。全体の見た目は滑らかで、着生植物はありません。興味深いことに、各フィラメントは、閉じる収縮によってフィラメント本体から分離された頂芽を除いて、中央の分裂隔壁を持たない単一の細胞です。

巨大細菌の形態 画像出典: 参考文献

これがこれまでに発見された細菌の中で最大のものであることは間違いありませんが、これは T. magnifica が他の細菌と異なる点の 1 つにすぎません。科学者の認識を本当に覆すのは、この細菌の遺伝物質が膜構造に囲まれているということだ。

パート2

それは細菌ですが、細菌のようには見えません

科学者たちは、カリブ海のマングローブ林でこの巨大細菌に遭遇した。科学者たちは葉の堆積物に付着した白い糸状のものをいくつか発見したが、当初はこれらの糸状物に注意を払っていなかった。彼らはただ少し変わっていると思ったので、その後の調査は行いませんでした。この遅れは10年以上続きました。

最終的に、鋭い目を持つ科学者たちがこれらの白い糸の独自性を発見し、より詳細な研究を実施しました。糸状体は肉眼で見え、真核生物に似ていたため、当初彼らはこれが細菌だとは考えなかった。科学者たちが白い糸状のものの16SリボソームRNAの配列を解析して初めて、それが細菌であると判明した。

(注: 16S リボソーム RNA (16S rRNA とも呼ばれる) は、原核生物のリボソームの 30S サブユニットの構成要素であり、細菌の系統分類研究で最も有用で一般的に使用される分子マーカーとして知られています。原核生物とは異なり、真核生物のリボソーム RNA には 5.8S rRNA、18S rRNA、28S rRNA の 3 種類があり、16s rRNA は存在しません)

巨大バクテリアが発見されたマングローブ林。画像出典: scitechdaily.com

しかし、研究が深まるにつれて、科学者たちは再び疑問を抱き始めました。 16S rRNAの結果から、この巨大生物が間違いなく細菌であることが示されましたが、共焦点レーザー走査顕微鏡と透過型電子顕微鏡を使用してこれらの細菌の膜構造を観察したところ、別の驚くべき発見がありました。これらの細菌の遺伝物質は、実際には膜で覆われています。

私たちは皆、生物学の教科書で、細菌には核膜が​​なく、遺伝物質が集中している領域しかないことを学びました。他の細菌とは異なり、T. magnifica は遺伝物質が細胞質内で自由に浮遊することを許可せず、代わりに動物細胞や植物細胞などのより複雑な細胞に似た膜構造で遺伝物質を包みます。科学者たちは遺伝物質を包み込むこれらの細胞小器官を「ペピン」と呼んでいます。

巨大細菌のペピン 画像出典: 参考文献

T. magnifica の膜に包まれた遺伝物質は、人間の認識を覆し、真核生物と原核生物の境界を曖昧にします。

パート3

巨大細菌はなぜこんなに大きく成長できるのでしょうか?

学術界では、細菌は能動的な細胞内輸送システムを欠いており、主に化学拡散に依存しており、それが細胞の大きさを制限すると考えられています。つまり、細菌が非常に小さいのは、そのサイズが大きくなるにつれて、細菌細胞の生理学的または代謝的要求が細胞が維持できる範囲を超えて大きくなるためです。

では、巨大細菌はなぜこんなに大きく成長するのでしょうか?これは巨大細菌の複雑さから始まらなければなりません。上記の 2 つのユニークな特徴に加えて、この巨大細菌は他の細菌よりもはるかに複雑です。ゲノム配列解析の結果、T. magnifica のゲノムは非常に大きく、一般的な細菌の約 3 倍、1,000 万塩基対、約 11,788 個の遺伝子があることが判明しました。

巨大細菌は大きく複雑なゲノムを持つ 画像出典: 参考文献

それだけでなく、ペピンは巨大細菌の体内に広く分布しており、各ペピンにはゲノムのコピーがあるため、この巨大細菌は実際には倍数体（細胞内に3セット以上の染色体を持つ個体で、この巨大細菌の場合は3セット以上のゲノムのコピーを持つ）であり、遺伝物質の複数のセットを持っています。科学者たちはペピン領域で活発なタンパク質生合成活動を検出しました。細菌のサイズは大きいですが、ペピンの数が多い限り、代謝活動のニーズを満たすことができます。

さらに、T. magnifica 細菌の細胞内には大きな液胞があり、その容積は全体の約 73% を占めています。液胞はフィラメント全体に沿って連続的に分布しており、細胞質を細胞の周辺部に制限しています。これにより、巨大細菌は物質を輸送しやすくなり、巨大化しても生命活動を維持できるのです。

巨大細菌の中心液胞 画像出典: 参考文献

1 世紀以上もの間、細菌の大きさに関する認知的偏見により、人々は巨大細菌に目をつぶってきたと言わざるを得ません。これらの巨大で複雑な細菌が、明らかな場所に存在し、生物学的複雑さの背後にある謎を人々が発見し、解釈し、探求するのを待っていることは間違いありません。

参考文献:

[1]Volland, JM、Gonzalez-Rizzo, S.、Gros, O.、Tyml, T.、Ivanova, N.、Schulz, F.、... & Date, SV (2022)。代謝活性のある膜結合細胞小器官に DNA が含まれる、長さ 1 センチメートルの細菌。サイエンス、376(6600)、1453-1458。

制作：中国科学普及協会

著者: EVEE (北京大学生命科学学院)

プロデューサー: 中国科学博覧会

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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