Gigantische bacteriën – 5.000 keer groter dan normaal – ontdekt in de mangroven van Guadeloupe

Artistieke weergave van Ca. Thiomargarita magnifica met dubbeltje. Credit: Mangrovefoto door Pierre Yves Pascal; Illustratie door Susan Brand / Berkeley Lab

Hoewel nieuw ontdekte bacteriën met het blote oog zichtbaar zijn, onthult microscopie een onverwachte complexiteit.

Op het eerste gezicht lijkt het enigszins troebele water in de buis op een bolletje regenwater, vol met bladeren, puin en zelfs lichtere draden in de mix. Maar in de petrischaal blijkt dat de dunne vermicelli-achtige draden die subtiel boven het bladafval zweven, in feite enkele bacteriecellen zijn, zichtbaar voor het blote oog.

Enkele gloeidraad van Ca.  Thiomargarita Magnifica

Enkel filament van Ca. Thiomargarita magnifica. Deze afbeelding wordt geassocieerd met een Science-paper van juni 2022 over een gigantische eencellige bacterie gevonden in de mangroven van Guadeloupe, getiteld: “Een centimeter lange bacterie met DNA in metabolisch actieve membraangebonden organellen.” Krediet: Jean-Marie Volland

De ongebruikelijke grootte is zeer opmerkelijk omdat bacteriën meestal niet zichtbaar zijn zonder de hulp van een microscoop. “Het is 5.000 keer groter dan de meeste bacteriën. Om het in context te plaatsen, zou het zijn alsof een mens een ander mens ontmoet die zo groot is als de Mount Everest, “zei Jean-Marie Volland, een wetenschapper met gezamenlijke benoemingen bij het Joint Genome Institute (JGI) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), een DOE Office of Science User Facility in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en het Laboratory for Research in Complex Systems (LRC) in Menlo Park, Californië. In de 24 juni 2022, uitgave van het tijdschrift Wetenschap, Volland en collega’s, waaronder onderzoekers van het JGI en Berkeley Lab, LRC, en aan de Université des Antilles in Guadeloupe, beschreven de morfologische en genomische kenmerken van deze gigantische draadvormige bacterie, samen met zijn levenscyclus.

Voor de meeste bacteriën is hun[{” attribute=””>DNA floats freely within the cytoplasm of their cells. This newly discovered species of bacteria keeps its DNA more organized. “The big surprise of the project was to realize that these genome copies that are spread throughout the whole cell are actually contained within a structure that has a membrane,” Volland said. “And this is very unexpected for a bacterium.”

Strange Encounters in the Mangroves

The bacterium itself was discovered by Olivier Gros, a marine biology professor at the Université des Antilles in Guadeloupe, in 2009. Gros’ research focuses on marine mangrove systems, and he was looking for sulfur-oxidizing symbionts in sulfur-rich mangrove sediments not far from his lab when he first encountered the bacteria. “When I saw them, I thought, ‘Strange,’” he said. “In the beginning I thought it was just something curious, some white filaments that needed to be attached to something in the sediment like a leaf.” The lab conducted some microscopy studies over the next couple of years, and realized it was a sulfur-oxidizing prokaryote.


Jean-Marie Volland beschrijft de twee take-home-berichten die verband houden met een Science-paper waarin gigantische bacteriën in het Franse Caribisch gebied worden gekarakteriseerd. Bij het werk waren onderzoekers van het JGI, Berkeley Lab, LRC Systems en Université des Antilles betrokken.

Silvina Gonzalez-Rizzo, universitair hoofddocent moleculaire biologie aan de Université des Antilles en een co-eerste auteur van de studie, voerde de 16S rRNA-gensequencing uit om de prokaryoot te identificeren en te classificeren. “Ik dacht dat het eukaryoten waren; Ik dacht niet dat het bacteriën waren, omdat ze zo groot waren met schijnbaar veel filamenten, ‘herinnerde ze zich haar eerste indruk. “We realiseerden ons dat ze uniek waren omdat het eruitzag als een enkele cel. Het feit dat ze een ‘macro’-microbe waren, was fascinerend! ”

“Ze begreep dat het een bacterie was die tot het geslacht behoorde” Thiomargarita’, merkte Gros op. “Ze noemde het” ca. Thiomargarita magnifica.”

“Prachtig omdat magnus in het Latijn betekent groot en ik vind het prachtig zoals het Franse woord magnifiek”, legde Gonzalez-Rizzo uit. “Dit soort ontdekkingen roept nieuwe vragen op over bacteriële morfotypes die nog nooit eerder zijn bestudeerd.”

Kenmerkend voor de gigantische bacterie

Volland raakte betrokken bij de reus Thiomargarita bacteriën toen hij terugkeerde naar het Gros-lab als postdoctoraal onderzoeker. Toen hij solliciteerde naar de op ontdekkingen gebaseerde functie bij het LRC, waardoor hij bij het JGI zou gaan werken, stond Gros hem toe om het onderzoek naar het project voort te zetten.

Bij het JGI begon Volland te studeren ca. T. magnifica in Tanja Woyke’s Single Cells Group om beter te begrijpen wat deze zwaveloxiderende, koolstofbindende bacterie aan het doen was in de mangroven. “Mangroven en hun microbiomen zijn belangrijke ecosystemen voor koolstofcycli. Als je kijkt naar de ruimte die ze wereldwijd innemen, is dat minder dan 1% van het kustgebied wereldwijd. Maar als je naar koolstofopslag kijkt, zul je zien dat ze 10-15% bijdragen aan de koolstof die is opgeslagen in kustsedimenten’, zegt Woyke, die ook hoofd is van het JGI’s Microbial Program en een van de senior auteurs van het artikel is. Het team was ook genoodzaakt om deze grote bacteriën te bestuderen in het licht van hun mogelijke interacties met andere micro-organismen. “We zijn dit project begonnen onder het strategische streven van het JGI naar interacties tussen organismen, omdat is aangetoond dat grote zwavelbacteriën hotspots zijn voor symbionten,” zei Woyke. “Toch heeft het project ons in een heel andere richting gebracht”, voegde ze eraan toe.

Bemonsteringslocaties te midden van mangroven in Guadeloupe

Monsters van Thiomargarita-bacteriën werden verzameld te midden van de mangroven in Guadeloupe. Deze afbeelding wordt geassocieerd met een Science-paper van juni 2022 over een gigantische eencellige bacterie gevonden in de mangroven van Guadeloupe, getiteld: “Een centimeter lange bacterie met DNA in metabolisch actieve membraangebonden organellen.” Krediet: Olivier Gros

Volland ging de uitdaging aan om deze reuzencellen in drie dimensies en met relatief hoge vergroting te visualiseren. Met behulp van verschillende microscopietechnieken, zoals harde röntgentomografie, visualiseerde hij bijvoorbeeld hele filamenten tot 9,66 mm lang en bevestigde dat het inderdaad gigantische enkele cellen waren in plaats van meercellige filamenten, zoals gebruikelijk is bij andere grote zwavelbacteriën. Hij was ook in staat om beeldvormingsfaciliteiten die beschikbaar zijn bij Berkeley Lab, zoals confocale laser scanning microscopie en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), te gebruiken om de filamenten en de celmembranen in meer detail te visualiseren. Dankzij deze technieken kon hij nieuwe, membraangebonden compartimenten met DNA-clusters observeren. Hij noemde deze organellen ‘pepinen’, naar de kleine zaadjes in fruit. DNA-clusters waren overvloedig aanwezig in de afzonderlijke cellen.

Het team leerde over de genomische complexiteit van de cel. Zoals Volland opmerkte: “De bacteriën bevatten drie keer meer genen dan de meeste bacteriën en honderdduizenden genoomkopieën (polyploïdie) die door de hele cel zijn verspreid.” Het JGI-team gebruikte vervolgens single cell genomics om vijf van de bacteriële cellen op moleculair niveau te analyseren. Ze hebben de genomen geamplificeerd, gesequenced en geassembleerd. Tegelijkertijd gebruikte het laboratorium van Gros ook een labelingstechniek die bekend staat als BONCAT om gebieden te identificeren die betrokken zijn bij eiwitmakende activiteiten, wat bevestigde dat de volledige bacteriële cellen actief waren.

Thiomargarita-bemonsteringslocaties in Guadeloupe

Zicht op de bemonsteringslocaties te midden van de mangroven in Guadeloupe. Deze afbeelding wordt geassocieerd met een Science-paper van juni 2022 over een gigantische eencellige bacterie gevonden in de mangroven van Guadeloupe, getiteld: “Een centimeter lange bacterie met DNA in metabolisch actieve membraangebonden organellen.” Credit: Hugo Bret

“Dit project was een mooie gelegenheid om aan te tonen hoe de complexiteit is geëvolueerd in enkele van de eenvoudigste organismen”, zegt Shailesh Date, oprichter en CEO van LRC, en een van de senior auteurs van het artikel. “Een van de dingen die we hebben betoogd, is dat het nodig is om biologische complexiteit veel gedetailleerder te bekijken en te bestuderen dan wat momenteel wordt gedaan. Dus organismen waarvan we denken dat ze heel, heel eenvoudig zijn, kunnen voor verrassingen komen te staan.”

Het LRC financierde Volland via subsidies van de John Templeton Foundation en de Gordon and Betty Moore Foundation. “Deze baanbrekende ontdekking benadrukt het belang van het ondersteunen van fundamentele, creatieve onderzoeksprojecten om ons begrip van de natuurlijke wereld te vergroten”, voegt Sara Bender van de Gordon and Betty Moore Foundation toe. “We kijken ernaar uit om te leren hoe de karakterisering van ca. Thiomargarita magnifiek daagt het huidige paradigma uit van wat een bacteriële cel is en bevordert microbieel onderzoek. ”

Eén gigantische bacterie, meerdere onderzoeksvragen

Voor het team, kenmerkend ca. Thiomargarita magnifica heeft de weg vrijgemaakt voor meerdere nieuwe onderzoeksvragen. Een daarvan is de rol van de bacterie in het mangrove-ecosysteem. “We weten dat het groeit en gedijt bovenop het sediment van het mangrove-ecosysteem in het Caribisch gebied,” zei Volland. “Qua metabolisme doet het aan chemosynthese, een proces dat analoog is aan fotosynthese voor planten.” Een andere openstaande vraag is of de nieuwe organellen genaamd pepinen een rol hebben gespeeld in de evolutie van de Thiomargarita magnifica extreme grootte, en of pepinen al dan niet aanwezig zijn in andere bacteriesoorten. De precieze vorming van pepines en hoe moleculaire processen binnen en buiten deze structuren plaatsvinden en worden gereguleerd, moet ook nog worden bestudeerd.

Gigantische Thiomargarita Bacteriën Auteurs

Van links naar rechts afgebeeld: Tanja Woyke, Jean-Marie Volland, Olivier Gros, Silvina Gonzalez-Rizzo en Shailesh Date. Volland, Gros en Gonzalez-Rizzo zijn co-eerste auteurs van een Science-paper van juni 2022 over een gigantische eencellige bacterie die wordt aangetroffen in de mangroven van Guadeloupe. Woyke en Date behoren tot de senior auteurs van het artikel “Een centimeter lange bacterie met DNA in metabolisch actieve membraangebonden organellen.” Credit: Achtergrondafbeelding: Hugo Bret; Composiet door Susan Brand / Berkeley Lab

Gonzalez-Rizzo en Woyke zien allebei het succesvol kweken van de bacteriën in het laboratorium als een manier om een ​​aantal van de antwoorden te krijgen. “Als we deze bacteriën in een laboratoriumomgeving kunnen houden, kunnen we technieken gebruiken die nu niet haalbaar zijn”, zei Woyke. Gros wil kijken naar andere grote bacteriën. “Je kunt wat TEM-foto’s vinden en zien wat eruit ziet als pepins, dus misschien hebben mensen ze gezien, maar begrepen ze niet wat ze waren. Dat wordt heel interessant om te checken, of de pepines al overal aanwezig zijn.”

Referentie: “Een centimeter lange bacterie met DNA in metabolisch actieve, membraangebonden organellen” door Jean-Marie Volland, Silvina Gonzalez-Rizzo, Olivier Gros, Tomáš Tyml, Natalia Ivanova, Frederik Schulz, Danielle Goudeau, Nathalie H. Elisabeth , Nandita Nath, Daniel Udwary, Rex R. Malmstrom, Chantal Guidi-Rontani, Susanne Bolte-Kluge, Karen M. Davies, Maïtena R. Jean, Jean-Louis Mansot, Nigel J. Mouncey, Esther R. Angert, Tanja Woyke en Shailesh V. Datum, 23 juni 2022, Wetenschap.
DOI: 10.1126 / science.abb3634

Onderzoekers van het National Museum of Natural History (Frankrijk), Sorbonne University (Frankrijk) en Cornell University waren ook bij dit werk betrokken.

Leave a Comment