Ячейки имеют средний объем 0,009 кубических микрон (один микрон составляет одну миллионную метра). Около 150 из этих бактерий могут поместиться внутри клетки Escherichia coli, а более 150 000 клеток могут поместиться на кончике человеческого волоса.Ученые сообщают о своих выводах в пятницу, 27 февраля, в журнале Nature Communications.Различные бактерии были обнаружены в грунтовых водах и считаются довольно обычным явлением.
Они также довольно странные, что неудивительно, учитывая, что клетки близки к нижнему пределу жизни, а в некоторых случаях меньше, чем несколько оценок. Это наименьший размер клетки, и при этом в ней содержится достаточно материала для поддержания жизни. Бактериальные клетки имеют плотно упакованные спирали, которые, вероятно, представляют собой ДНК, очень небольшое количество рибосом, волосоподобных придатков и упрощенный метаболизм, который, вероятно, требует, чтобы они полагались на другие бактерии для многих жизненных потребностей.
Бактерии принадлежат к трем плохо изученным микробным типам. Более подробное изучение организмов этих типов может пролить свет на роль микробов в климате планеты, в наших пищевых продуктах и воде, а также в других ключевых процессах.«Эти недавно описанные сверхмалые бактерии являются примером подгруппы микробной жизни на Земле, о которой мы почти ничего не знаем», — говорит Джилл Бэнфилд, старший научный сотрудник отделения наук о Земле лаборатории Беркли и профессор Калифорнийского университета в Беркли. наук о Земле и планетах и науках об окружающей среде, политике и управлении.
«Они загадочны. Эти бактерии обнаруживаются во многих средах, и они, вероятно, играют важную роль в микробных сообществах и экосистемах.
Но мы еще не полностью понимаем, что делают эти сверхмалые бактерии», — говорит Бэнфилд.Банфилд является соавтором статьи Nature Communications с Биргит Люф, бывшим докторантом группы Банфилда, которая сейчас работает в Норвежском университете науки и технологий в Тронхейме.
«Нет единого мнения о том, насколько маленьким может быть свободноживущий организм и какими могут быть стратегии оптимизации пространства для клетки с нижним пределом размера для жизни. Наше исследование является важным шагом в определении размера, формы, и внутренняя структура сверхмалых ячеек », — говорит Люф.
Ученые задались целью изучить бактерии из филумов, в которых отсутствуют культивируемые представители. У некоторых из этих бактерий очень маленькие геномы, поэтому ученые предположили, что сами бактерии тоже могут быть очень маленькими.Чтобы сконцентрировать эти клетки в образце, они отфильтровали подземные воды, собранные в Рифле, штат Колорадо, через последовательно уменьшающиеся фильтры до 0,2 микрона, что является размером, используемым для стерилизации воды. Полученные образцы не были стерильными.
Они были обогащены невероятно крошечными микробами, которые были мгновенно заморожены до -272 градусов по Цельсию в первой в своем роде портативной версии устройства, называемого криоплунжером. Это гарантировало, что микробы не пострадают на пути от поля до лаборатории.
Замороженные образцы были доставлены в лабораторию Беркли, где Люф с помощью Луиса Комолли из отдела наук о жизни лаборатории Беркли охарактеризовал размер и внутреннюю структуру клеток с помощью двумерной и трехмерной криогенной просвечивающей электронной микроскопии. Изображения также выявили делящиеся клетки, что указывает на то, что бактерии были здоровыми и не умерли от голода до аномально малых размеров.Секвенирование геномов бактерий было проведено в Объединенном институте генома (Joint Genome Institute), научном центре Министерства энергетики США, расположенном в Уолнат-Крик, Калифорния, под руководством Сюзанны Триндж. Длина генома составляла около миллиона пар оснований.
Кроме того, в Калифорнийском университете в Беркли были проведены метагеномные и другие анализы образцов на основе ДНК, в ходе которых был обнаружен широкий спектр бактерий типов WWE3, OP11 и OD1.Эта комбинация инновационных полевых исследований и современной микроскопии и геномного анализа дала наиболее полное на сегодняшний день описание ультрамалых бактерий.
Среди их результатов: у некоторых бактерий есть нитевидные отростки, называемые пили, которые могут служить связями «жизнеобеспечения» с другими микробами. Геномные данные показывают, что у бактерий отсутствуют многие основные функции, поэтому они, вероятно, полагаются на сообщество микробов в качестве критических ресурсов.Ученые также обнаружили, сколько еще предстоит узнать о сверхмалой жизни.«Мы не знаем функции половины генов, обнаруженных нами в организмах этих трех типов», — говорит Бэнфилд.
Ученые также использовали Advanced Light Source, объект для пользователей Управления науки Министерства энергетики, расположенный в лаборатории Беркли, где Хой-Ин Холман из отдела наук о Земле помог определить, что большинство клеток в образцах были бактериями, а не архей.Это исследование является значительным вкладом в то, что известно о сверхмалых организмах.
Недавно ученые оценили объем клеток морской бактерии в 0,013 кубических микрона, но они использовали метод, который напрямую не измерял диаметр клетки. Существуют также предыдущие электронные микроскопические изображения линии архей с объемом клеток всего 0,009 кубических микрон, похожие на эти бактерии, включая результаты некоторых из тех же исследователей.
В совокупности результаты подчеркивают существование небольших клеток с необычными и довольно ограниченными метаболическими возможностями двух из трех основных ветвей древа жизни.