Rekord-Mikrobe: Im Mangrovenschlamm von Guadeloupe haben Biologen erstmals ein Bakterium entdeckt, das mit bloßem Auge sichtbar ist. Die weißlichen Zellfäden von Thiomargarita magnifica werden bis zu zwei Zentimeter lang – sie erreichen damit Ausmaße, die für Prokaryoten als unmöglich galten. Die DNA der Mikrobe enthält zudem mehr Genkopien als bei jeder anderen Zelle und ist in viele kleine Membransäckchen verpackt. Auch das ist für einen Prokaryoten extrem ungewöhnlich, wie das Team in „Science “ berichtet.
Die meisten Bakterien sind nur wenige Mikrometer groß und für das bloße Auge unsichtbar. Denn ihrer Zellgröße sind durch ihre einfache Struktur enge Grenzen gesetzt: Weil Bakterien als Prokaryoten keinen Zellkern, keine aktiven Transportmechanismen und keine Zellkompartimente besitzen, können sie Nährstoffe und zelleigene Moleküle nur durch passive Diffusion aufnehmen und verteilen. Dies begrenzt ihre maximale Größe – so jedenfalls dachte man bisher.
Allerdings haben Wissenschaftler in den letzten Jahren einige Bakterien entdeckt, die dieser angenommenen Obergrenze sehr nahe kamen. Der bisherige Rekordhalter ist Thiomargarita namibiensis, ein 1997 vor Namibia entdecktes Schwefelbakterium von 750 Mikrometern Zelllänge. Das größte bekannte Süßwasserbakterium, Achromatium oxaliferum, kommt sogar in deutschen Seen vor.
Weiße Fädchen im Mangrovenschlamm
Doch es geht noch viel größer, wie Jean-Marie Volland vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien und seine Kollegen entdeckt haben. Bei der Suche nach schwefeloxidierenden Organismen stieß einer aus seinem Team im Mangrovenschlamm von Guadeloupe auf weißliche Fäden, die an abgefallenen Blättern im Sediment zu haften schienen. „Diese Filamente hatten eine stielartige Form und wurden zum oberen Ende hin allmählich dünner, wo eine Art Knospen zu erkennen waren“, berichten die Forschenden.
Die weißen Fädchen waren im Schnitt 9,7 Millimeter lang, einige Filamente erreichten aber auch Längen von 20 Millimetern. Sie waren schon mit dem bloßen Auge erkennbar. Um herauszufinden, um was es sich handelte, sammelten die Wissenschaftler einige Proben ein und untersuchten sie anschließend im Labor mittels Elektronenmikroskopie, Fluoreszenzmikroskopen und Röntgen-Tomographie.
Eine zwei Zentimeter große Bakterienzelle
Das überraschende Ergebnis: Anders als erwartet handelte es sich bei den Fäden nicht um mehrzellige Gebilde. Stattdessen bestand jedes Filament aus nur einer einzigen Bakterienzelle. „Sie ist damit 5.000-mal größer als die meisten Bakterien“, sagt Volland. „Zum Vergleich: Ein entsprechend großer Mensch wäre so groß wie der Mount Everest.“ Die Thiomargarita magnifica getaufte Mikrobe ist damit das größte Bakterium der Welt.
Zellgröße und Zytoplasmavolumen dieses Riesenbakteriums liegen deutlich über dem, was man bisher als maximale Obergrenze für prokaryotische Zellen ansah. „Diese Entdeckung wirft neue Fragen zum Morphotyp der Bakterien auf“, sagt Koautor Olivier Gros von der Universität der Antillen auf Guadeloupe. Doch wie und warum konnten diese Bakterien so groß werden? Um das herauszufinden, unterzogen Volland und seine Kollegen ihren Fund einer DNA-Analyse und weiteren Laboruntersuchungen.
Riesiges Genom mit Rekordzahl von Kopien
Die Analysen enthüllten: Auch das Genom von Thiomargarita magnifica ist ungewöhnlich groß. Es umfasst 11.788 proteinkodierende Gene – dreimal so viele wie eine durchschnittliche Bakterienzelle, so das Team. Besonders angereichert sind dabei Gene für die Oxidation von Schwefel und die Fixierung von Kohlenstoff, was auf ihre Ernährungsweise hindeutet. Eng mit dem Riesenwuchs der Zellen verknüpft ist zudem ein atypischer Bestand an Genen für die Zellteilung und die Zellverlängerung.
Zudem enthalten die Zellen dieser Riesenmikroben extrem viele Erbgut-Kopien: In einem zwei Zentimeter lange Fädchen können mehr als 730.000 DNA-Kopien vorliegen. „Thiomargarita magnifica hat damit die höchste je in einer Zelle gefundene Zahl von Genomkopien“, berichten die Forschenden. „Die Zahl der Kopien liegt eine Größenordnung höher als bei den anderen Riesenbakterien.“
DNA in Membransäckchen verpackt
Noch ungewöhnlicher jedoch ist die Art, wie das Genom in den Riesenbakterien vorliegt. Typischerweise liegt die DNA von Prokaryoten frei im Zytoplasma, einen Zellkern oder ein anderes Kompartiment für die DNA gibt es nicht. Anders bei Thiomargarita magnifica: „Die große Überraschung war, dass die vielen Genomkopien in Strukturen verpackt sind, die eine Membran besitzen“, sagt Volland. „Das ist unerwartet bei einem Bakterium.“
Die kleinen Membranbläschen enthalten jeweils ein Stück DNA und einige Ribosomen und sind in großer Zahl im Zytoplasma der Bakterienzelle verteilt. „Diese Kompartimentierung von DNA und Ribosomen erinnert an den Zellkern und die Kompartimente von Eukaryoten“, schreiben Voland und ihre Kollegen. Sie haben die neu entdeckten Bakterien-Organellen „Pepins“ getauft – entsprechend dem französischen Wort für die kleinen Samen von Kiwis und anderen Früchten.
Ebenfalls auffällig ist eine große Vakuole im Zentrum der fädigen Bakterienzelle: Dieser flüssigkeitsgefüllte Hohlraum nimmt fast 75 Prozent des Zellvolumens ein. Das Zytoplasma mit den Pepins ist dadurch auf eine schmale Zone nahe der Zellmembran zusammengedrängt.
Über das Größenlimit hinaus
Nach Ansicht von Volland und seinen Kollegen könnten all diese Eigenheiten erklären, wie Thiomargarita magnifica so riesig werden konnte. Denn die vielen Genomkopien, die über die ganze Zelle verteilten DNA-Päckchen und das schmale, randständige Zytoplasma verkürzen die Diffusionswege in der Zelle. Das könnte es dem Bakterium ermöglicht haben, das Größenlimit zu überschreiten. In jedem Fall sei Thiomargarita magnifica eine Herausforderung für gängige Konzepte zu Bakterienzellen, so das Team.
„Wenn wir die Biologie, den Energiestoffwechsel und die Bildung, Rolle und Natur der Pepins näher erforschen, könnte uns dies helfen zu verstehen, wie sich biologische Komplexität entwickelt hat“, erklären die Forschenden. Sie vermuten zudem, dass dieses Rekordbakterium kein Einzelfall ist: „Die Entdeckung von Thiomargarita magnifica deutet darauf hin, dass es von uns unbemerkt sogar noch größere und komplexere Bakterien geben könnte.“ (Science, 2022; doi: 10.1126/science.abb3634)
Quelle: DOE/ Lawrence Berkeley National Laboratory
