Normaliter beschouwen we bacteriën als organismen die zó klein zijn dat ze alleen door een microscoop zijn te zien. Maar nu hebben wetenschappers op het eiland Guadeloupe, in de Kleine Antillen, een reusachtige witte bacterie ontdekt die in het brakke water van een moeras op de rottende bladeren van rode mangroven huist.
De bacterie is zó groot dat hij gemakkelijk met het blote oog is te zien. Maar de enorme omvang is niet het enige dat verbluffend is aan deze langgerekte, draderige microbe, want hij slaat zijn DNA in keurige pakketjes op en heeft ook een veel complexere bouw dan enige andere bekende bacterie.
Eerder ontdekte reuzenbacteriën, waarvan sommige filamenten van meerdere centimeters kunnen vormen, zijn opgebouwd uit honderden of duizenden cellen. Maar de nu ontdekte bacterie, die ongeveer zo groot is als een menselijke wimper, bestaat uit één enkele bacteriële cel. ‘Toen we beseften dat een draderige bacterie van deze omvang één enkele cel was, was dat wel een bijzonder moment,’ zegt Jean-Marie Volland, de zeebiologe van het Lawrence Berkeley National Laboratory die het onderzoek naar de bacterie leidde, in gesprek met National Geographic.
De wetenschappers hebben de nieuwe microbe de naam Thiomargarita magnifica gegeven, die niet alleen naar de grootte van het organisme verwijst maar ook naar de parelvormige kraaltjes van zwavel die in de cel zijn aangetroffen. Niet alleen is T. magnifica duizendmaal groter dan de gemiddelde bacterie, hij is ook langer dan talloze meercellige wezens, zoals fruitvliegjes. Op een persconferentie zei Vollard vorige week dinsdag dat de ‘ontdekking van deze bacterie is alsof je een mens ter grootte van de Mount Everest’ tegenkomt.
‘De ontdekking van deze onbekende Thiomargarita-bacterie doet ons beseffen hoe ongelooflijk gevarieerd de wereld van microben is en hoe complex de structurele en genomische aanpassingen zijn die bacteriën in staat stellen om cellen te bouwen die niemand zich had voorgesteld,’ zegt Andreas Teske, zeebioloog aan de University of North Carolina in Chapel Hill. Teske was een van de ontdekkers van de bacterie die tot vorige week als grootste microbe werd beschouwd, Thiomargarita namibiensis.
Volgens Chris Greening, een microbioloog aan de Monash University in Melbourne die niet bij de ontdekking was betrokken, is de nieuwe bacterie een verbluffend voorbeeld van het feit dat bacteriën veel complexer, geavanceerder en gevarieerder zijn dan altijd werd gedacht. ‘Bacteriën blijven zich onttrekken aan de gebruikelijke wetenschappelijke beschrijvingen.’
Eenvoudige organismen?
In 1999 ontdekten Teske en andere wetenschappers een verbijsterend grote bacterie die ze de naam Thiomargarita namibiensis gaven, oftewel ‘Zwavelparel uit Namibië.’ Tot vorige week werd die microbe – die in koorden van witte kraaltjes groeit en soms een lengte van driekwart millimeter bereikt (en dus met het blote oog is te ontwaren) – als grootste bacterie op aarde beschouwd. Maar de Caraïbische bacterie is nog eens vijftigmaal groter.
Petra Anne Levin, een microbiologe van de Washington University in St. Louis die niet bij de ontdekking was betrokken, is niet verrast door de omvang van T. magnifica. ‘De belangrijkste boodschap is dat we bacteriën niet als simpele organismen moeten zien, want dat beeld is verouderd,’ zegt zij. ‘Bacteriën kunnen zich eindeloos aanpassen, dus zouden we ze inderdaad in zo’n enorme variëteit aan grootten moeten tegenkomen.’
Bacteriën behoren tot het domein van de prokaryoten, de minst vergevorderde levensvormen op aarde. Ze worden vaak (maar onterecht) omschreven als zakjes vol enzymen die door slechts één membraan worden omhuld. Volgens Danny Ionescu, aquatisch microbioloog aan het Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei in Berlijn, zijn de cellen van bacteriële prokaryoten anders dan die van eukaryoten – het levensdomein waartoe alle schimmels, planten en dieren op aarde behoren – omdat ze geen celkern bevatten waarin ze hun DNA hebben opgeslagen. ‘Er zijn nog talloze andere functionele verschillen, maar het ontbreken van een kern maakt ze echt anders dan cellen van eukaryoten zoals wij.’
Maar de nu ontdekte bacterie onttrekt zich aan deze tweedeling omdat zijn genetische materiaal ligt opgeslagen in keurige compartimenten die door een apart membraan worden omhuld en aan primitieve celkernen doen denken.
De reuzenbacterie is ontdekt door Olivier Gros, mangrovebioloog aan de Université des Antilles op Guadeloupe. ‘Ik bracht veel tijd door in het water, waar ik op zoek was naar verschillende zaken in het mangroveslib. Op een dag zag ik deze lange, witte draden en besloot er een monster van te nemen, uit pure nieuwsgierigheid,’ vertelt hij.
Wetenschappers in het laboratorium van Gros probeerden de filamenten te classificeren. Aanvankelijk zagen ze de draden aan voor een schimmel of een ander meercellig organisme, maar nader onderzoek wees uit dat dat deze microbe waarschijnlijk tot de familie van reusachtige Thiomargarita-bacteriën behoorde, ‘maar dat wisten we niet zeker,’ zegt Gros.
Volland werkte als postdoctoraal-fellow in het lab van Gros en besloot samen met Shailesh Date, oprichter-directeur van het Laboratory for Research in Complex Systems in Menlo Park, verder te zoeken naar een classificatie voor de vreemde microbe. Date’s lab is een ngo die op het gebied van transdisciplinair onderzoek samenwerkt met academische instellingen.
‘Het werd duidelijk dat het om een enorme bacterie en om een eencellig organisme ging,’ zegt Date. De uitdaging was om te bepalen wat de microbe verder nog uitzonderlijk maakte. Met behulp van een batterij aan technologieën op het gebied van moleculaire biologie maakten Volland, Date en hun collega’s extreem sterke 3D-vergrotingen van de langgerekte organismen. Daarop waren de afzonderlijke reuzencellen te ontwaren die tezamen een filament vormden.
Grenzen aan de groei
Lange tijd hebben wetenschappers gedacht dat bacteriën op grond van natuurkundige basisprincipes niet erg groot kunnen worden. Hoe groter een cel wordt, des te groter ook het celmembraan moet zijn om de voedingsstoffen en de energie op te kunnen nemen die zo’n omvangrijk organisme nodig heeft.
‘Deze bacterie breekt alle regels, want hij beschikt over een geavanceerde interne organisatie die doet denken aan meer ontwikkelde dier- en plantencellen,’ zegt Greening.
Vollands team wist aan te tonen dat de bacterie intern is opgedeeld in talloze compartimenten die verschillende functies hebben en ook de beschikbare oppervlakte aan membranen aanzienlijk uitbreiden. Het is deze complexiteit die het organisme in staat stelt de grenzen aan de omvang van een bacteriële cel te overstijgen.
‘Als wetenschappers proberen we grenswaarden te formuleren. We zeggen bijvoorbeeld dat een bacterie op basis van theoretische principes niet veel groter dan zus of zo kan worden,’ zegt Ionescu. ‘Maar zo te zien hebben bacteriën onze handboeken niet gelezen.’
De nieuwe bacterie slaat zijn DNA op in compartimenten die door aparte membranen worden omhuld. De onderzoekers hebben deze pakketjes de naam ‘pepinen’ gegeven, omdat ze lijken op pitjes, de kleine zaadjes van sommige vruchten, waaronder watermeloenen. (Het Franse woord voor pit is pepin.)
Door de structuur van deze pepinen wordt het traditionele onderscheid tussen bacteriële en eukaryote cellen nog vager, aldus Greening, omdat de aanwezigheid van een afscheiding tussen genetisch materiaal en de rest van de cel een veel complexer en geavanceerder organisme oplevert.
Hoewel alle reuzenbacteriën meerdere kopieën van hun genoom bevatten, is Thiomargarita magnifica volstrekt uniek omdat hij meer dan 700.000 van zulke kopieën in één enkele cel herbergt.
In een e-mail schreven Yoichi Kamagata en Hideyuki Tamaki van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Japan dat de bacterie wetenschappers zal helpen om antwoord te krijgen op de vraag waarom eukaryote genomen in de cellen van planten en dieren in de loop der evolutie steeds groter zijn geworden.
Vollard en zijn collega’s doen momenteel onderzoek naar monsters van de bacterie die in mangrovenbossen zijn genomen, maar hun volgende doel is om de bacterie in het laboratorium op te kweken om antwoord te krijgen op de vraag hoe hij zich vermeerdert en erin slaagt zo’n enorme voorraad aan genetisch materiaal op te slaan.
‘Ontdekkingen doen zich altijd voor als mensen nauwgezet kijken en opletten,’ zegt Teske. ‘T. magnifica leefde pal onder onze neus, en dat in een zeer bekende kusthabitat. Hij lag dus klaar om als nieuwe Thiomargarita-bacterie door wetenschappers te worden opgemerkt.’
De interne structuur van bacteriën is veel minder complex dan die van eukaryotische cellen en omvatten minder compartimenten, zegt Vollard. ‘Ze vormen geen weefsels die zich rangschikken tot organen en complexe organismen.’ Maar hij wijst erop dat ‘ze vanuit biochemisch oogpunt wél zeer complex zijn. Ze kunnen koolstof binden, suikers omzetten en op allerlei ondergronden groeien. Ze kunnen onderling communiceren en elkaar signalen geven. Ze maken gebruik van complexe mechanismen en zijn zelfs in staat om sociaal gedrag te vertonen. En sommige bacteriën hebben complexe levenscyclussen. Dus het is zeker niet zo dat bacteriën “simpel” zijn, en eukaryoten complex.’
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op nationalgeographic.com
