بكتيريا عملاقة - أكبر بـ 5000 مرة من المعتاد - تم اكتشافها في غوادلوب مانغروف
|
| التقديم الفني لل Ca. ثيومارجريتا ماجنيفيكا مع الدايم. |
على الرغم من ظهور البكتيريا المكتشفة حديثا بالعين المجردة ، إلا أن الفحص المجهري يكشف عن تعقيد غير متوقع.
للوهلة الأولى ، تبدو المياه العكرة قليلا في الأنبوب وكأنها مغرفة من مياه العواصف ، مليئة بالأوراق والحطام وحتى الخيوط الأخف في هذا المزيج. ولكن في طبق بتري ، تم الكشف عن أن الخيوط الرفيعة الشبيهة بالشعيرية التي تطفو برقة فوق حطام الأوراق هي خلايا بكتيرية مفردة ، يمكن رؤيتها بالعين المجردة.
|
خيوط واحدة من Ca. ثيومارجريتا ماجنيفيكا. ترتبط هذه الصورة بورقة علمية نشرت في يونيو 2022 حول بكتيريا عملاقة وحيدة الخلية وجدت في غابات المانغروف في جوادلوب بعنوان ، بكتيريا طولها سنتيمتر واحد مع حمض نووي موجود في عضيات مرتبطة بغشاء نشط. |
الحجم غير العادي ملحوظ جدا لأن البكتيريا لا يمكن رؤيتها عادة بدون مساعدة المجهر. إنها أكبر بـ 5000 مرة من معظم البكتيريا. قال جان ماري فولاند ، عالم له تعيينات مشتركة في معهد الجينوم المشترك (JGI) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ، مرفق مستخدم مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الموجود في مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) ومختبر البحث في الأنظمة المعقدة (LRC) في مينلو بارك ، كاليفورنيا. في عدد 24 يونيو 2022 من مجلة Science ،وصف فولاند وزملاؤه ، بمن فيهم باحثون في JGI و Berkeley Lab ، LRC ، وفي جامعة جزر الأنتيل في غوادلوب ، السمات المورفولوجية والجينية لهذه البكتيريا الخيطية العملاقة ، إلى جانب دورة حياتها.
بالنسبة لمعظم البكتيريا ، يطفو حمضها النووي بحرية داخل سيتوبلازم خلاياها. هذه الأنواع الجديدة من البكتيريا تحافظ على تنظيم الحمض النووي الخاص بها. قال فولاند: كانت المفاجأة الكبرى للمشروع هي إدراك أن نسخ الجينوم المنتشرة في جميع أنحاء الخلية كلها محتواة في الواقع داخل هيكل به غشاء. وهذا أمر غير متوقع للغاية بالنسبة لبكتيريا.
لقاءات غريبة في القرم
تم اكتشاف البكتيريا نفسها من قبل أوليفييه جروس ، أستاذ الأحياء البحرية في جامعة جزر الأنتيل في جوادلوب ، في عام 2009. تركز أبحاث جروس على أنظمة المنغروف البحرية ، وكان يبحث عن متعايشات مؤكسدة للكبريت في رواسب المانغروف الغنية بالكبريت ليست بعيدة. من معمله عندما واجه البكتيريا لأول مرة. قال: عندما رأيتهم ، فكرت ، غريب . في البداية اعتقدت أنه شيء مثير للفضول ، بعض الخيوط البيضاء التي يجب ربطها بشيء ما في الرواسب مثل ورقة الشجر. أجرى المختبر بعض الدراسات المجهرية على مدار العامين المقبلين ، وأدرك أنها بدائيات النوى المؤكسدة للكبريت.
يصف جان ماري فولاند الرسالتين اللتين أخذتهما إلى المنزل مرتبطة بورقة علمية تصف البكتيريا العملاقة في منطقة البحر الكاريبي الفرنسية. شارك في العمل باحثون من JGI و Berkeley Lab و LRC Systems و Université des Antilles.
قامت سيلفينا غونزاليس ريزو ، الأستاذة المساعدة في علم الأحياء الجزيئي بجامعة الأنتيل والمؤلفة المشاركة في الدراسة ، بإجراء تسلسل الجين 16S rRNA لتحديد وتصنيف بدائيات النوى. اعتقدت أنهم كانوا حقيقيات النوى ؛ لم أكن أعتقد أنها بكتيريا لأنها كانت كبيرة جدا وبها الكثير من الشعيرات ، تذكرت انطباعها الأول. لقد أدركنا أنها فريدة من نوعها لأنها بدت وكأنها خلية واحدة. حقيقة أنهم كانوا ميكروبا ماكرو كانت رائعة!
وأشار جروس لقد فهمت أنها بكتيريا تنتمي إلى جنس Thiomargarita . سمتها Ca. Thiomargarita Magnifica .
أوضح غونزاليس-ريزو: Magnifica لأن كلمة Magnus في اللاتينية تعني كبير وأعتقد أنها رائعة مثل الكلمة الفرنسية magnifique . هذا النوع من الاكتشاف يفتح أسئلة جديدة حول الأشكال المورفولوجية البكتيرية التي لم تتم دراستها من قبل.
تميز البكتيريا العملاقة
انخرط فولاند في بكتيريا Thiomargarita العملاقة عندما عاد إلى مختبر Gros كزميل ما بعد الدكتوراه. عندما تقدم إلى الوظيفة القائمة على الاكتشاف في مركز مصادر التعلم والتي من شأنها أن تجعله يعمل في JGI ، سمح له جروس بمواصلة البحث في المشروع.
في JGI ، بدأ Volland في دراسة Ca.T. magnifica في مجموعة الخلايا المفردة في Tanja Woyke لفهم ما كانت تفعله هذه البكتيريا المؤكسدة للكبريت والمثبتة للكربون في غابات المانغروف. المانغروف وميكروبيوماتها هي أنظمة بيئية مهمة لدورة الكربون. إذا نظرت إلى المساحة التي يشغلونها على نطاق عالمي ، فهي أقل من 1٪ من المساحة الساحلية في جميع أنحاء العالم. ولكن عندما تنظر بعد ذلك إلى تخزين الكربون ، ستجد أنها تساهم بنسبة 10-15٪ من الكربون المخزن في الرواسب الساحلية ، كما قال وويكي ، الذي يرأس أيضا برنامج الميكروبات في JGI وهو أحد كبار مؤلفي المقالة. اضطر الفريق أيضا إلى دراسة هذه البكتيريا الكبيرة في ضوء تفاعلاتها المحتملة مع الكائنات الحية الدقيقة الأخرى. لقد بدأنا هذا المشروع في إطار التوجه الاستراتيجي لـ JGI للتفاعلات بين الكائنات ، لأن بكتيريا الكبريت الكبيرة ثبت أنها نقاط ساخنة للمتعايشين ، قال ويكي. وأضافت: ومع ذلك ، أخذنا المشروع في اتجاه مختلف تماما.
|
| تم جمع عينات من بكتيريا Thiomargarita وسط غابات المانغروف في جوادلوب. ترتبط هذه الصورة بورقة علمية نشرت في يونيو 2022 حول بكتيريا عملاقة وحيدة الخلية وجدت في غابات المانغروف في جوادلوب بعنوان ، بكتيريا طولها سنتيمتر واحد مع حمض نووي موجود في عضيات مرتبطة بغشاء نشط. |
قبل فولاند التحدي المتمثل في تصور هذه الخلايا العملاقة في ثلاثة أبعاد وبتكبير مرتفع نسبيا. باستخدام تقنيات الفحص المجهري المختلفة ، مثل التصوير المقطعي بالأشعة السينية الصلبة ، على سبيل المثال ، تصور خيوطا كاملة يصل طولها إلى 9.66 ملم وأكد أنها كانت بالفعل خلايا مفردة عملاقة وليست خيوطا متعددة الخلايا ، كما هو شائع في بكتيريا كبريتية كبيرة أخرى. كان أيضا قادرا على استخدام مرافق التصوير المتاحة في مختبر بيركلي ، مثل الفحص المجهري بالليزر متحد البؤر والفحص المجهري الإلكتروني (TEM) لتصور الشعيرات وأغشية الخلايا بمزيد من التفاصيل. سمحت له هذه التقنيات بمراقبة الأجزاء الجديدة المرتبطة بالغشاء والتي تحتوي على مجموعات الحمض النووي. وأطلق على هذه العضيات اسم الببوينات نسبة إلى البذور الصغيرة في الفاكهة. كانت مجموعات الحمض النووي وفيرة في الخلايا المفردة.
تعرف الفريق على التعقيد الجيني للخلية. كما لاحظ فولاند ، تحتوي البكتيريا على جينات أكثر بثلاث مرات من معظم البكتيريا ومئات الآلاف من نسخ الجينوم (تعدد الصبغيات) المنتشرة في جميع أنحاء الخلية. ثم استخدم فريق JGI علم جينوم الخلية المفردة لتحليل خمس من الخلايا البكتيرية على المستوى الجزيئي. قاموا بتضخيم الجينوم وتسلسله وتجميعه. في موازاة ذلك ، استخدم مختبر جروس أيضا تقنية وضع العلامات المعروفة باسم BONCAT لتحديد المناطق المشاركة في أنشطة صنع البروتين ، والتي أكدت أن الخلايا البكتيرية بأكملها كانت نشطة.
|
| منظر لمواقع أخذ العينات وسط غابات المانغروف في جوادلوب. ترتبط هذه الصورة بورقة علمية نشرت في يونيو 2022 حول بكتيريا عملاقة وحيدة الخلية وجدت في غابات المانغروف في جوادلوب بعنوان ، بكتيريا طولها سنتيمتر واحد مع حمض نووي موجود في عضيات مرتبطة بغشاء نشط. |
قال Shailesh Date ، المؤسس والرئيس التنفيذي لمركز LRC وأحد كبار مؤلفي المقالة: لقد كان هذا المشروع فرصة رائعة لإثبات مدى تطور التعقيد في بعض أبسط الكائنات الحية. أحد الأشياء التي ناقشناها هو أن هناك حاجة للنظر في ودراسة التعقيد البيولوجي بتفاصيل أكثر بكثير مما يتم القيام به حاليا. لذا فإن الكائنات الحية التي نعتقد أنها بسيطة جدا جدا قد يكون لها بعض المفاجآت .
قدم مركز مصادر التعلم التمويل لفولاند من خلال منح من مؤسسة جون تمبلتون ومؤسسة جوردون وبيتي مور. وأضافت سارة بندر من مؤسسة جوردون وبيتي مور: يسلط هذا الاكتشاف الرائد الضوء على أهمية دعم المشاريع البحثية الأساسية والإبداعية لتعزيز فهمنا للعالم الطبيعي. نتطلع إلى تعلم كيفية توصيف Ca. يتحدى Thiomargarita magnifica النموذج الحالي لما يشكل خلية بكتيرية ويطور الأبحاث الميكروبية .
بكتيريا واحدة عملاقة ، أسئلة بحثية متعددة
بالنسبة للفريق ، وصف Ca. مهد Thiomargarita magnifica الطريق لأسئلة بحثية متعددة جديدة. من بينها ، دور البكتيريا في النظام البيئي لأشجار المانغروف. قال فولاند: نحن نعلم أنها تنمو وتزدهر على قمة رواسب النظام البيئي للمنغروف في منطقة البحر الكاريبي. من حيث التمثيل الغذائي ، فإنه يقوم بالتركيب الكيميائي ، وهي عملية مماثلة لعملية التمثيل الضوئي للنباتات. السؤال الآخر المعلق هو ما إذا كانت العضيات الجديدة المسماة بيبينز لعبت دورا في تطور حجم Thiomargarita magnifica المتطرف ، وما إذا كانت الببينات موجودة أم لا في الأنواع البكتيرية الأخرى. لا يزال يتعين دراسة التكوين الدقيق للببينات وكيفية حدوث العمليات الجزيئية داخل وخارج هذه الهياكل وتنظيمها.
|
| تظهر من اليسار إلى اليمين: تانيا وويكي ، وجان ماري فولاند ، وأوليفييه جروس ، وسيلفينا غونزاليس-ريزو وشاليش ديت. شارك فولاند وجروس وجونزاليس-ريزو في البداية في بحث علمي نشر في يونيو 2022 عن بكتيريا عملاقة وحيدة الخلية توجد في غابات المانغروف في غوادلوب. يعد Woyke و Date من بين المؤلفين الرئيسيين للورقة ، بكتيريا يبلغ طولها سنتيمترا وتحتوي على الحمض النووي الموجود في عضيات مرتبطة بغشاء نشط. |
يرى كل من Gonzalez-Rizzo و Woyke أن زراعة البكتيريا في المختبر بنجاح هي طريقة للحصول على بعض الإجابات. قال ويكي: إذا تمكنا من الحفاظ على هذه البكتيريا في بيئة معملية ، فيمكننا استخدام تقنيات غير مجدية في الوقت الحالي. يريد جروس إلقاء نظرة على البكتيريا الكبيرة الأخرى. يمكنك العثور على بعض صور TEM ومعرفة ما يشبه البيبينز ، لذا ربما رآها الناس ولكنهم لم يفهموا ما هي عليه. سيكون من المثير للاهتمام التحقق مما إذا كانت البيبين موجودة بالفعل في كل مكان .