Centimetrová bakterie s „jádrem“? Podle nového objevu mají mikrobi ke složitým buňkám blíže, než se zdálo.

Autor: Jan Toman

V mangrovech Guadalupe rostou více než centimetrové bakterie, které obsahují útvary podobné buněčným jádrům a procházejí složitým životním cyklem. Tyto organismy nám pomohou zodpovědět, proč a jak složitější buňky, ze kterých sestávají i naše těla, vlastně vznikly. 

Bakterie jsou drobné a jednoduché, buňky prvoků, živočichů, rostlin či hub velké a složité. Jedná se o dvě naprosto odlišné domény života, které spolu mají jen málo společného. Tato a podobná učebnicová moudra se patrně otřesou v návaznosti na objev obřích bakterií druhu Thiomargarita magnifica. Tyto obyvatelky rozkládajícího se listí v zátokách u mangrovových porostů dorůstají až jednoho centimetru. Ve své buňce nesou mnoho kopií genomu, které jsou navíc těsně sbalené v kulovitých útvarech podobných eukaryotickým jádrům. Aby toho nebylo málo, buňky této gama-proteobakterie se nedělí na dvě, ale odštěpují své potomky z jednoho konce. V důsledku by nám tak mohly napovědět, jakými cestami v dávné historii Země vznikaly složitější buňky.

Všechny organismy, které na Zemi žijí, můžeme rozdělit do tří velkých skupin zvaných domény. Kupodivu se nejedná o živočichy, houby a rostliny. Ty spolu s prvoky spadají do jedné z těchto skupin – mezi eukaryota.  Zbývající dvě domény, bakterie a archea, zahrnují pouze mikroskopické zástupce s malou jednoduchou buňkou. Obě tyto mikrobiální skupiny spojuje relativně malý genom, nepřítomnost jádra a to, že jejich buňka není vnitřně členěná na oddíly s různou funkcí. Jak bakterie, tak archea se také množí nepohlavně, nejčastěji prostým rozdělením na dvě dceřiné buňky. Kromě genové výbavy se od sebe liší hlavně stavbou svých membrán. Pozoruhodné přitom je, že eukaryota nevznikla ani z jedné z těchto skupin, ale jejich spojením. Archeální organismus dal základ buňce samotné, zatímco z bakterií se vyvinuly „buněčné elektrárny“ zvané mitochondrie, které prvním eukaryotům umožnily dýchat kyslík.

Tento plyn, který byl pro většinu mikrobů toxický, otevřel eukaryotům úplně nové evoluční obzory. Ať už archeont předka mitochondrie pohltil, nebo se eukaryotická buňka vyvinula z mírumilovné kooperace dvou partnerů, výsledkem byl energeticky daleko bohatší metabolismus schopný „utáhnout“ větší a složitější buňku. Eukaryoti si například nově vyvinuli schopnost vytvářet panožky a pohlcovat celé další buňky. Vytvořili si složitou buněčnou kostru a svůj genetický materiál ukryli do jádra. Kvůli výraznému zvětšení genomu se rovněž naučili vytvářet chromozomy, přesně je rozdělovat mezi dceřiné buňky a dokonce i kombinovat v rámci pohlavního procesu.

Učebnicové moudro je tedy jasné. Bakterie a archea mají drobné a jednoduché buňky, eukaryoti jsou velcí, složití a provozují daleko bohatší životní cykly. Jak už to ale s učebnicovými moudry bývá, takřka nikdy neplatí absolutně. Zvlášť v biologii. Už nějakou dobu například známe bakterie, které se velikostně blíží eukaryotům, vytvářejí jednoduchá mnohobuněčná těla, nebo mají zvláštně členěné buňky. Někteří zástupci skupiny archea zase procházejí čímsi podobným pohlavnímu procesu. Nově objevené bakterie z mangrovových porostů Guadalupe jdou ale ještě dál. Hned v několika ohledech bourají očekávané rozdíly mezi bakteriemi a eukaryoty, což by mohlo v budoucnu napovědět i při řešení otázky, jak konkrétně se eukaryoti vyvinuli.

Jak referují američtí a francouzští výzkumníci v dosud nepublikovaném článku zveřejněném na preprintovém archivu bioRxiv, většina bakterií měří mezi dvěma a 750 mikrometry. Zástupci, které objevili v mangrovových porostech Guadalupe na ponořených listech kořenovníku obecného, však dosahují takřka centimetru. Bez problému je lze pozorovat pouhým okem a zprvu je proto vědci za bakterie ani nepovažovali. Až genetická analýza ukázala, že se jedná o organismy z příbuzenstva síru oxidujících gama-proteobakterií rodu Thiomargarita. Své nejbližší příbuzné však co do velikosti překonávají více než padesátinásobně. I proto výzkumníci svůj nový objev pojmenovali Thiomargarita magnifica – thiomargarita velkolepá.

Detailní průzkum potvrdil, že se nejedná o kolonie, ale opravdu gigantické buňky. Důležitou otázkou je, jak mohou takto velké bakterie vůbec přežít. Když totiž jednoduchá bakteriální buňka dosáhne určité velikosti, šíření látek v jejím objemu začne trvat neúměrně dlouho. Rychlost reakcí se zpomalí a kvůli neefektivnímu metabolismu ji překonají jiné, menší, buňky. Mikroskopické analýzy ukázaly, že Thiomargarita magnifica dokázala celý problém elegantně obejít. Zhruba tři čtvrtiny objemu obří buňky totiž vyplňuje prázdná vakuola, jakási vycpávka, která velikost uměle navyšuje. Metabolické procesy potom probíhají pouze v tenké vrstvě při povrchu buňky.

A, velikostní porovnání Thiomargarita magnifica se známými laboratorními organismy. B, detail buňky. C, počítačová vizualizace buněk v různých částech životního cyklu. D, velká vnitřní vakuola. E, F, G, detaily buněk. Černě šipky ukazují na pepiny. Podle Vollanda a kol. 2022.

Další výzkum ukázal, že buňky neobsahují jednu, ale mnoho set tisíc kopií genomu. Právě díky tomu dokáží udržet v provozu celou na bakteriální poměry obrovskou buňku. Genom samotný je přitom na bakteriální poměry neobvykle velký a nese zhruba trojnásobek obvyklého počtu genů. Ještě zajímavější však je, že jednotlivé kopie buněčného genomu jen tak volně neplavou v objemu buňky, ale jsou uzavřené a těsně napakované v jakýchsi váčcích. Tyto útvary podobné jadérkům v melounu autoři článku navrhují nazvat pepiny.

Podobné uspořádání je u bakterií naprostou raritou. Pozoruhodné je i to, že útvary na svých stěnách nesou také ribozomy, molekulární ústrojí zodpovědné za přepis informací zapsaných v DNA do proteinů. V několika ohledech se tak úzce podobají eukaryotickým jádrům. Pravda, mikrobiologové v posledních letech objevili několik bakteriálních druhů, které obsahují jednoduché membránami oddělené segmenty buňky se specializovanou funkcí. Žádný z nich ale neobsahoval genetický materiál.

Pozoruhodné je i rozmnožování nově popsaného druhu. Žádné příčné dělení na dvě kopie. Jednotlivé buňky thiomargarity mají vláknitý tvar, ze kterého jsou na konci odškrcovány drobné pupeny. Výzkumníci přitom prokázali, že jsou tyto pupeny dceřinými buňkami. Není pochyb o tom, že se pupeny skutečně oddělují, přisedají k podkladu a dávají základ novým jedincům. Také co se týče rozmnožování je tedy Thiomargarita magnifica na bakteriální poměry velmi podivná a blíží se spíše některým eukaryotům – například plísním. Výzkumníci navíc spekulují, že se do dceřiných buněk přenášejí jen kopie určitých pepinů, které mohou sloužit jako obdoba konzervativní zárodečné linie buněk u mnohobuněčných organismů.

Vzhledem k podobnostem mezi Thiomargarita magnifica a eukaryotickými organismy by člověk mohl lehce nabýt dojmu, že bakterie tohoto rodu byly předky eukaryot. Z příbuzenských analýz však víme, že tomu tak není – předky eukaryotických buněk byli archeonti z příbuzenstva skupiny Asgard, předky mitochondrií zase alfa-proteobakterie. Nový objev však ukazuje, že o bakteriích zatím víme velmi málo a jejich diverzita – i co do tvaru a funkcí – může být obrovská. Vzniku eukaryot se proto mohli účastnit daleko větší „exoti“, než jsme donedávna předpokládali, což může být i odpovědí na několik přetrvávajících záhad v teoriích o vzniku eukaryot.

Zdroj: JM Volland, S Gonzalez-Rizzo, O Gros, … & SV Date (2022): A centimeter-long bacterium with DNA compartmentalized in membrane-bound organelles. bioRxiv, online.

Facebook Comments