惊人的巨型细菌

近日揭晓的Science杂志2022年十大科学突破，以“惊人的巨型细菌”为题，介绍了由美国劳伦斯—伯克利国家实验室、法国安的列斯大学以及美国加州大学旧金山分校的科学家们联合发现的一种名为Thiomargarita magnifica的巨大细菌。该巨型细菌的发现颠覆了人们对细菌大小的传统认识。微生物通常是肉眼不可见的，比如细菌大小通常大约在0.5至5微米，需要使用显微镜才能观察到。相对而言，真核细胞比细菌要大很多，通常为10~200微米，一些非常大的真核单细胞甚至可达几厘米。在Thiomargarita magnifica（可翻译为巨大硫珠菌）被发现之前，人们发现最大的单个细胞细菌为同一菌属的纳米比亚硫珠菌（Thiomargarita namibiensis），它的平均长度为180微米，最大长度可达750微米，而新发现的Thiomargarita magnifica的平均长度足足比它大50倍，完全肉眼可见。Thiomargarita magnifica不仅体积大，而且基因组也异常庞大，突破了人们对原核生物基因组的以往认知。其基因组所含碱基对数为近12 Mb，编码了高达11 788个基因，是原核生物通常基因数（约3 000多个基因）的三倍多，目前Thiomargarita magnifica近一半的基因功能尚不能被注释，有待进一步研究。Thiomargarita magnifica的基因组大小甚至可以跟部分真核细胞基因组相匹敌，比如与同为12 Mb的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的基因组。Thiomargarita magnifica所含的基因数目大大超过了常用模式真菌构巢曲霉（约含有9 500个基因）基因数。另外Thiomargarita magnifica还是个独特的基因组多倍体细胞，其细胞每毫米的长度上平均含有3万多个基因组拷贝，而全长2厘米的细菌内含有超过50多万个基因组拷贝。这种多倍体的特性可以允许该菌通过同源重组来平衡基因组拷贝数量，并保证其基因组的保守性。以往发现有些体型大的细菌也常常是基因组多倍体，但一般只有十个到几万个基因组拷贝，而Thiomargarita magnifica基因组拷贝数比之前已知细菌最大基因组拷贝数还要高出至少一个数量级。Thiomargarita magnifica的发现还完全改变了细菌无细胞器的概念。像真核细胞一样，Thiomargarita magnifica细胞内具有复杂的含膜细胞器结构。在该菌细胞中央含有巨大的液泡，沿整个细胞长丝连续分布，大约占细胞总体积的70%左右，而在靠近细胞质膜附近，形成了一个个被命名为pepin的膜囊。Thiomargarita magnifica将基因组DNA和核糖体包装入这些膜囊中，这些区室化的膜囊在质膜附近形成了复杂的内膜网络，Thiomargarita magnifica利用这些膜囊和内膜网络上的ATP合成酶产生ATP分子提供能量，这一特征跟真核细胞利用线粒体产生ATP的过程是非常相似的，完全不同于之前人们所揭示的细菌将基因组DNA置于细胞质中、通过细菌质膜上ATP合成酶产生ATP的情况。Thiomargarita magnifica的这些特性打破了原核生物的传统概念，突破之前人们对微生物的认知，可能反映了原核细胞到真核细胞的数十亿年进化的过渡形式。然而Thiomargarita magnifica近一半的基因功能有待阐释，调节和稳定巨量的基因组拷贝数的机制也不清楚。Thiomargarita magnifica周围没有附生细菌，其基因组有25.9%的序列属于生物合成基因簇，编码了数十种模块化非核糖体肽合成酶和聚酮合酶系统，说明其含有大量的次级代谢途径，可用于挖掘新型抗生素或活性化合物。我国在超大细菌方面的研究非常少，在全新菌株鉴定和研究上的重要成果也不多。跟国际同行相比，我国在新型菌株以及关键功能性菌株方面明显缺乏核心竞争力，相关的基础研究有待加强。我国国土辽阔，环境资源丰富，生物遗传背景极为多样，为我们发现新型细菌创造了很好的基础和优势。期待在不久的未来，中国科学家们在此方向取得重要突破。图4 长线状的 Thiomargarita magnifica 细胞跟硬币大小对比,Thiomargarita magnifica 的平均长度可达厘米,挑战了细菌的传统概念（图片来源：Science 官网）