Gigantyczne bakterie to intrygująca, niedostatecznie zbadana zagadka biologiczna. Wiele dobrze zbadanych gigantów wykorzystuje obfite wewnętrzne magazyny małych cząsteczek i/lub światło, aby zaspokoić swoje nadmierne zapotrzebowanie na energię. Jednak sposób, w jaki gigantyczne heterotrofy (organizmy, które nie są w stanie produkować własnej żywności i zamiast tego czerpią pożywienie z innych źródeł węgla organicznego) zaspokajają swoje zwiększone potrzeby, pozostaje nieuchwytny. Bakterie z rodzaju Epulopiscium to jelitowe symbionty tropikalnych ryb chirurgicznych, które są wyjątkowe i unikalne w świecie bakterii. Są to największe znane bakterie heterotroficzne — duży osobnik w kształcie cygara ma milion razy większą objętość Escherichia coli. Aby ustalić, jak Epulopiscium bakterie napędzają ich silny metabolizm, biolodzy stworzyli wysokiej jakości projekt genomu Epulopiscium viviparus i zrekonstruował jego potencjał metaboliczny, stosując kompleksowe podejście.

Mikrofotografia konfokalna Epulopiscium viviparus. Źródło obrazu: Sannino i in., doi: 10.1073/pnas.2306160120.

„Ta niesamowita gigantyczna bakteria jest wyjątkowa i interesująca pod wieloma względami: ogromnymi rozmiarami, sposobem rozmnażania, metodami zaspokajania swoich potrzeb metabolicznych i nie tylko” – stwierdziła profesor Uniwersytetu Cornell Esther Angert, główna autorka badania.

„Odkrycie potencjału genomowego tego organizmu po prostu nas oszołomiło”.

Po raz pierwszy odkryto w 1985 r. Epulopiscium bakterie żyją w symbiozie w przewodzie pokarmowym chirurgów z rodziny Acanthuridae w środowiskach tropikalnych morskich raf koralowych, takich jak Wielka Rafa Koralowa i Morze Czerwone.

Ze względu na jego gigantyczne rozmiary naukowcy początkowo sądzili, że jest to jakiś odrębny typ pierwotniaka.

„Badanie tych gigantycznych bakterii wymaga schwytania ryb, w których żyją, i zakonserwowania komórek lub ekstrakcji DNA i RNA tak szybko i ostrożnie, jak to możliwe” – powiedział profesor Angert.

Profesor Angert i jej współpracownicy byli szczególnie zainteresowani dowiedzeniem się, jak to zrobić Epulopiscium viviparus zaspokaja jego ekstremalne potrzeby metaboliczne.

Bakterie, które żywią się substancjami odżywczymi ze swojego środowiska, zamiast wytwarzać własną energię ze światła słonecznego, ogólnie dzielą się na dwa obozy: te, które mają dostęp do tlenu i te, które nie mają go.

„Bez tlenu bakterie często wykorzystują fermentację do pozyskiwania energii, a organizmy fermentujące po prostu nie czerpią tak dużego zysku ze składników odżywczych” – powiedział profesor Angert.

Widząc to Epulopiscium viviparus czy rzeczywiście fermentor właśnie powiększył puzzle, ponieważ jego ogromny rozmiar, ekstremalna reprodukcja i umiejętność pływania wymagałyby więcej energii, a nie mniej.

Naukowcy to odkryli Epulopiscium viviparus zmodyfikował swój metabolizm, aby jak najlepiej wykorzystać środowisko, stosując rzadką metodę wytwarzania energii i poruszania się (tej samej metody pływania używają bakterie wywołujące cholerę) oraz poświęcając ogromną część swojego kodu genetycznego na wytwarzanie enzymy, które mogą zbierać składniki odżywcze dostępne w jelitach gospodarza.

Do najczęściej produkowanych enzymów należą te wykorzystywane do wytwarzania ATP, waluty energetycznej wszystkich komórek.

Wysoce złożona membrana biegnąca wzdłuż zewnętrznej krawędzi Epulopiscium viviparus zapewnia ważną przestrzeń dla białek wytwarzających i transportujących energię, wykazując pewne zaskakujące podobieństwa do funkcjonowania mitochondriów w komórkach bardziej złożonych organizmów.

„Wszyscy znamy stwierdzenie „mitochondria są siłą napędową komórki” i, co zadziwiające, te błony Epulopiscium viviparus w pewnym sensie zbiegły się w tym samym modelu co mitochondria” – powiedział profesor Angert.

„Mają silnie złożoną membranę, która zwiększa powierzchnię, na której mogą pracować te pompy wytwarzające energię, a ta zwiększona powierzchnia tworzy elektrownię energetyczną”.

„To podstawowe badanie ma wiele potencjalnych przyszłych zastosowań, w szczególności jako Epulopiscium viviparus ma tak skuteczne strategie wykorzystania składników odżywczych znajdujących się w algach.”

„Algi stanowią coraz większy cel w paszach dla zwierząt gospodarskich, energii odnawialnej i żywieniu ludzi, ponieważ ich wzrost nie konkuruje z rolnictwem lądowym”.

Badanie pojawia się w Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.

_____

Davida R. Sannino i in. 2023. Wyjątkowa forma i funkcja gigantycznej bakterii Ca. Epulopiscium viviparus obraca się wokół siły napędowej sodu. PNAS 120 (52): e2306160120; doi: 10.1073/pnas.2306160120