Гигантская бактерия использует разность концентраций ионов натрия для движения и получения энергии

Размеры бактерий редко превышают 10 мкм, так как нутриенты попадают в клетку с помощью диффузии, однако существуют исключения. Одни из них — представители рода Epulopiscium spp., крупнейшие гетеротрофные бактерии. Наиболее хорошо изучены бактерии Epulopiscium sp. морфотипа B, имеющие форму сигары и достигающие в длину 100–300 мкм. Они обитают в кишечнике рыбы-хирурга Naso tonganus. Для этих бактерий, которые получили название Candidatus Epulopiscium viviparus, характерен необычный 24-часовой синхронизированный клеточный цикл, представляющий собой уникальный пример живорождения среди бактерий (viviparus означает живородящий). Внутри материнской клетки созревают от двух до 12 дочерних клеток, которые выходят наружу после лизиса материнской клетки. Как правило, рост происходит в светлое время суток, когда рыба активно питается. Не совсем понятно, как этим гетеротрофным бактериям удается поддерживать такие размеры.

Чтобы ответить на этот вопрос, авторы нового исследования, опубликованного в PNAS, секвенировали геномную ДНК бактерий Epulopiscium sp. морфотипа B и собрали высококачественный черновой геном, длина которого составила 3,28 миллиона пар оснований. Сборка содержала семь контигов и, по мнению ученых, составляла 92% всего генома. Плазмид у бактерии не было обнаружено.

Помимо геномной последовательности, ученые секвенировали РНК бактерий из семи рыб, пойманных в разное время суток. Этапы жизненного цикла бактерий соответствуют суточным изменениям в питании рыбы-хозяина, которая ест только днем, но не ночью.

Подобно гигантским бактериям рода Thiomargarita, бактерии Epulopiscium имеют особые приспособления: они полиплоидны, их клетки содержат десятки тысяч копий кольцевой хромосомы, смещенных к периферии. Но с точки зрения метаболизма эти бактерии существенно различаются. Бактрия Ca. E. viviparus использует органический углерод для построения биомассы, и в ее геноме нет генов, кодирующих цитохромы и другие белки электронтранспортных цепей для анаэробного и аэробного дыхания. Нет и генов, кодирующих белки, задействованные в фиксации углерода. Тем не менее, бактерия может накапливать полифосфат.

К удивлению авторов, Ca. E. viviparus вела себя как другие Clostridia, полагаясь на ферментацию для сохранения энергии. В целом более 5% генов этой бактерии кодируют ферменты метаболизма углеводов, которые деградируют полисахариды из пищи рыбы-хозяина до субстратов, таких как пируват, которые сбраживаются до ацетата и пропионата. Кроме того, Ca. E. viviparus может получать АТФ за счет превращения фосфоенолпирувата в оксалоацетат, а также сбраживания пирувата до ацетальдегида и далее до этанола, регенерируя пул NAD⁺. Кроме того, в геноме закодированы все ферменты неокислительной ветви пентозофосфатного пути и часть ферментов цикла Кребса.

Мембраносвязанная оксалоацетатдекарбоксилаза осуществляет декарбоксилирование и одновременно откачивает ионы натрия из клетки. За счет этого в клетках Ca. E. viviparus создается натриевая движущая сила. Оксалоацетат, необходимый для откачивания ионов натрия, также образуется благодаря активности цитратлиазного комплекса, который расщепляет цитрат на оксалоацетат и ацетат. Гены, связанные с метаболизмом оксалоацетата, экспрессируются в соответствии с активностью рыбы-хозяина — ранним утром и в середине дня.

В геноме Ca. E. viviparus также закодированы АТФазы F- и V-типа. Оказалось, что, как и в случае с метаболизмом оксалоацетата, синтез АТФ в клетках бактерии происходит в первой половине дня. Более того, работа АТФаз обеспечивается непосредственно разностью концентраций ионов натрия. То есть именно за счет ионов натрия Ca. E. viviparus удовлетворяет свои энергетические потребности, а также обеспечивает вращение жгутика. Содержание натрия в кишечнике рыбы-хозяина соответствует оптимальным значениям для того, чтобы ионы натрия возвращались в бактериальные клетки, запуская синтез АТФ и вращение жгутика.

Кроме необычного метаболизма, Ca. E. viviparus интересна наличием в геноме больших (по меркам бактерий) генов длиной более 5 тысяч пар оснований; такую длину имеет 0,8% генов бактерии. Большие гены могут кодировать секретируемые белки, ассоциированную с поверхностью клетки гликозилгидролазу и другие белки.

По всей видимости, Ca. E. viviparus пользуется богатой ионами натрия средой кишечника организма-хозяина для синтеза АТФ через ферментацию и для вращения жгутиков. Сочетание структуры и функции клетки напоминает таковые у митохондрий. Авторы также предполагают, что объем клетки позволяет ей запасать олигосахариды. Гигантские бактерии позволяют применять многие методы для изучения метаболизма даже без культивирования.

Обнаружена двухсантиметровая бактерия