比果蝇还大的细菌你见过吗

超乎想象的巨大细菌

对于未知，人们总是好奇。科学也是在探索这种好奇。病毒有多大，通常也就纳米左右。细菌有多大，通常2微米。可是特别大的病毒如潘多拉病毒，长度可达1微米，就跟细菌差不多大了。

那么最大的细菌有多大呢？在今天要讲的Science文章之前，最大的细菌要数纳米比亚嗜硫珠菌。这是德国学者在纳米比亚海岸的沉淀物(sediments)中发现的一种细菌，它含有微小的硫磺颗粒，所以发出闪烁的白色。当它们排列成一行的时候，就好像一串闪亮的珍珠链。因此，舒尔斯和其他研究人员便把它命名为“纳米比亚的硫磺珍珠”（Thiomargaritanamibiensis）。这种最大的细菌生长在缺乏氧气但含有丰富养分的沉淀物中，在沉淀物含有很多硫化氢，细菌利用硝酸盐将硫氧化以获得能量。这种细菌最长能达到微米。

年的Science文章介绍的最大细菌“纳米比亚硫磺珍珠”。

但是这一记录在23年后的6月24被打破了，来自美国复杂系统研究实验室的ShaileshV.Date团队、Jean-MarieVolland团队、TanjaWoyke团队、与来自法国索邦大学的OlivierGros团队合作在Science杂志上在线发表了一篇题为Acentimeter-longbacteriumwithDNAcontainedinmetabolicallyactive,membrane-boundorganelles的文章报道了比纳米比亚硫磺珍珠大50倍的CandidatusThiomargaritamagnifica（暂时没有中文名，翻译成大号嗜硫珠菌？）。

第一作者兼通讯作者Jean-MarieVolland博士是一名海洋生物学家，早年在印度洋研究海洋生态，后来在南美洲研究深海微生物及生态系统。Jean-MarieVolland是OlivierGros教授的博士生，早在10多年前，他们就在加勒比海小安的列斯群岛格兰德特雷红树林中发现了发现了这种大号嗜硫珠菌。

南美洲加勒比海小安的列斯群岛

他们发现的这种大号嗜硫珠菌附生在红树林沉叶中。

图1.大号嗜硫珠菌的结构

这种大号嗜硫珠菌平均长度是9毫米，最长可到2厘米，形成一种茎杆的形状，并逐渐向顶端收缩，形成芽，它们外观光滑，没有附生菌或任何细胞外黏液基质，中间有一个大空泡，含有很多硫磺颗粒，这一点和纳米比亚嗜硫珠菌非常相似（图1）。

为了验证这种菌的结构，作者采用四氧化锇（X-射线）和FM1-43X(一种荧光染料)对细胞膜进行可视化（图1C）。

同时也采用了透射电子显微镜观察了大号嗜硫珠菌的显微结构，多种方法都显示每根细丝都是连续的，没有分裂隔膜，只有最顶端的几个芽（子代细胞），表明是一个细胞，而不是多细胞。

图2.电镜下大号嗜硫珠菌的显微结构，可以看到白色硫磺颗粒（S）

作者用荧光原位技术定位了这种嗜硫珠菌的核糖体RNA结构，用DAPI对DNA进行染色和定位，发现他们不是随机散布的，而是形成集中在一种小的区室中，将其命名为Pepin（来自拉丁语，意义为小室）。有意思的是ATPase以及蛋白合成都分布在pepin周围。

DAPI染色显示DNA分散在每个细丝中

先前发现的大型细菌都是多倍体，其基因组包含成千上万个拷贝，分散在整个细胞中，有利于大型细菌的分裂和生殖。而这种大号嗜硫珠菌同样也是多拷贝，每个细丝多达个基因组拷贝。而基因组也非常庞大，拥有1万对碱基，包含多达11,个基因，是细菌中基因组最大的（图4）。

图4.各种生物基因组大小及基因数。

图5.大号嗜硫珠菌的代谢

随后，研究者分析了大号嗜硫珠菌的代谢过程，这种细菌含有较少的氮还原酶，只能催化NO3还原成NO2，而具有丰富的硫酸盐合成酶（图5）。同时还发现其25%以上的基因簇用以生物合成过程。

图6.大号嗜硫珠菌的基因结构

那么，为什么这种细菌长这么大呢？研究者在基因组中找到答案，认为其缺乏细胞分裂基因ftsA,ftsQ等，却重复细胞延长基因（mrdA,mreD等），所以细菌分裂减少，延长增加，导致了更长的细胞长度。

图7.大号嗜硫珠菌的分裂和延长基因

总结来说，这种大号嗜硫珠菌的发现挑战了人们对细菌的固有认知，模糊了原核生物和真核生物之间的界限（比果蝇都大的细菌）。对于药物研究来说，这种细菌超强的生物合成功能可能为药物代谢研究带来新思路。