Что больше клетка или бактерия
Разница между бактериальной и животной клеткой
Главное отличие
Основное различие между бактериальной клеткой и животной клеткой состоит в том, что бактериальная клетка — это прокариотическая клетка, которая не содержит никаких мембраносвязанных органелл, тогда как животная клетка — это эукариотическая клетка, которая содержит мембраносвязанные органеллы.
Бактериальная клетка против животной клетки
Бактериальная клетка содержит несколько клеточных компонентов, которые открыто присутствуют в цитоплазме; с другой стороны, животная клетка содержит клеточное содержимое в органеллах, связанных с мембраной. Бактериальная клетка не содержит ядерной мембраны вокруг ядерного содержимого; с другой стороны, животная клетка содержит ядерную оболочку вокруг ядерного содержимого. Бактериальная клетка включает клетки прокариотического типа, тогда как животная клетка включает клетки эукариотического типа.
Бактериальная клетка содержит клеточную стенку, состоящую из муреина; с другой стороны, клетка животного не содержит клеточной стенки. Бактериальная клетка имеет правильную форму благодаря клеточной стенке; с другой стороны, животная клетка не имеет правильной формы из-за отсутствия клеточной стенки. В бактериальной клетке митохондрии отсутствуют; с другой стороны, в животной клетке присутствуют митохондрии в различном количестве.
В бактериальной клетке присутствуют рибосомы небольшого размера, тогда как рибосомы большого размера присутствуют в клетках животных. Бактериальные клетки в основном делятся на дочерние клетки путем бинарного деления; С другой стороны, животная клетка в основном делится на дочерние клетки путем митоза и мейоза.
В бактериальных клетках размножение происходит бесполым путем, с другой стороны, в клетках животных размножение происходит как половым, так и бесполым путем. Бактериальная клетка — это клетка, которая может быть автотрофной или гетеротрофной, тогда как животная клетка — это клетка, которая является единственным гетеротрофом.
Сравнительная таблица
Что такое бактериальная клетка?
Бактериальная клетка — это прокариотическая клетка, не содержащая никаких мембраносвязанных органелл. Клеточная мембрана покрывает бактериальную клетку. Клеточное содержимое бактериальных клеток отсутствует на мембранно-связанных органеллах. Он свободно присутствует в цитоплазме. ДНК бактериальной клетки также не покрыта ядерной мембраной и присутствует в виде одной спиральной формы хромосом в нуклеоиде.
Клеточная мембрана, если она дополнительно покрыта клеточной стенкой, сделанной из муреина. Клеточная стенка бактериальной клетки выполняет несколько функций, но основная функция заключается в обеспечении защиты и поддержании формы клетки. Это придает жесткость структуре бактериальной клетки. Такое поддержание структуры придает бактериальной клетке лучшую форму, что помогает в классификации бактериальной клетки.
Вся структура бактериальной клетки покрыта гликопротеиновым покрытием, называемым гликокаликсом, которое обеспечивает устойчивость структуры. Он предотвращает обезвоживание бактерий и помогает защитить клетки. В стенке бактериальной клетки присутствует несколько других структур, таких как пили и жгутики.
Бактериальная клетка может быть автотрофной или гетеротрофной, в зависимости от структуры клетки. Источником энергии в бактериальной клетке может быть органическое соединение или солнечный свет. Бактериальная клетка может жить как отдельная клетка или может присутствовать в цепочках, подобных диплоидам.
Что такое животная клетка?
Животная клетка — это клетка большого размера, которая покрыта только клеточной мембраной. Клетка животного происхождения — это высокоспециализированная клетка, которая включает в себя как одноклеточные, так и многоклеточные клетки. Клетки животных содержат одинарные и двойные мембранные органеллы, такие как митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы и т. Д. Он также включает центриоли, которые помогают животным клеткам в процессе деления при образовании митохондрий.
Размер рибосом больше, чем у бактериальной клетки 80S. его цитоплазма не содержит хлорофилла или хлоропластов, поэтому это гетеротрофная клетка. Структура животной клетки поддерживается микрофиламентами, которые присутствуют на границе клетки под клеточной мембраной, с помощью микротрубочек и промежуточных нитей.
Функции животных клеток узкоспециализированы, например, образование энергетических соединений из органических соединений и выработка гормонов и секреторных веществ, которые используются другими частями тела. Эти основные энергетические обмены происходят в митохондриях, которые содержат определенные ферменты для этих процессов.
Форма животной клетки неправильная из-за отсутствия внешней клеточной стенки, которая поддерживает структуру бактериальной клетки. Он содержит только плазматическую мембрану в качестве внешнего покрытия, которое позволяет различные движения через клеточную мембрану.
Ключевые отличия
Заключение
Вышеупомянутое обсуждение заключает, что бактериальная клетка — это клетка небольшого размера, которая воспроизводится только путем бинарного деления, тогда как животная клетка — это клетка большого размера, которая воспроизводится как митозом, так и мейозом.
Сравнение размеров вирусов и бактерий
Микроорганизмы настолько малы по сравнению с людьми, что может возникнуть соблазн думать, что они примерно одного размера.
Бактерии и вирусы — это микроскопические организмы, которые могут вызывать болезни у животных и человека. Хотя эти микробы могут иметь некоторые общие характеристики, они также очень различны. Бактерии обычно намного крупнее вирусов, и их можно рассматривать под световым микроскопом. Вирусы во много раз меньше бактерий и видны только под электронным микроскопом.
Бактерии — это одноклеточные организмы, которые размножаются бесполым путем независимо от других организмов. Для размножения вирусам требуется помощь живой клетки.
Где они живут
Некоторые бактерии считаются экстремофилами и могут выживать в чрезвычайно суровых условиях, таких как гидротермальные источники, а также в желудках животных и людей.
Вирусы: подобно бактериям, вирусы можно обнаружить практически в любой среде. Это патогены, которые заражают прокариотические и эукариотические организмы, включая животных, растения, бактерии и археи (одноклеточные).
Вирусы, которые заражают экстремофилов, таких как археи, имеют генетическую адаптацию, которая позволяет им выживать в суровых условиях окружающей среды (гидротермальные источники, серные воды и т. д).
Вирусы могут сохраняться на поверхностях и на объектах, которые мы используем каждый день в течение различных отрезков времени (от секунд до лет) в зависимости от типа вируса.
Бактериальная и вирусная структура
Бактерии — это прокариотические клетки, которые проявляют все характеристики живых организмов. Бактериальные клетки содержат органеллы и ДНК, которые погружены в цитоплазму и окружены клеточной стенкой.
Эти органеллы выполняют жизненно важные функции, которые позволяют бактериям получать энергию из окружающей среды и размножаться.
Вирусы: вирусы не считаются клетками, но существуют как частицы нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), заключенные в белковую оболочку.
Некоторые вирусы имеют дополнительную мембрану, называемую оболочкой, которая состоит из фосфолипидов и белков, полученных из клеточной мембраны ранее инфицированной клетки-хозяина.
Эта оболочка помогает вирусу проникнуть в новую клетку путем слияния с клеточной мембраной и помогает ему выйти из нее путем почкования. Также известные как вирионы, вирусные частицы существуют где-то между живыми и неживыми организмами.
Хотя они содержат генетический материал, у них нет клеточной стенки или органелл, необходимых для производства энергии и размножения. Вирусы полагаются исключительно на хозяина для репликации.
Размер и форма
Бактерии: бактерии могут быть найдены в различных формах и размерах. Распространенные формы бактериальных клеток включают кокки (сферические), бациллы (палочковидные), спирали и вибрионы.
Для примера: Один нанометр равен 10 ангстрем. Расстояние между атомами углерода в алмазе равно 0,154 нм. Длины волн видимого света, воспринимаемого человеком, лежат в диапазоне 380—760 нм. Диаметр атома гелия составляет около 0,06 нм, а диаметр рибосомы — около 20 нм.
Микрометр (µm или мкм) — равен одной миллионной доле метра (10 −6 метра или 10 −3 миллиметра). Диаметр эритроцита составляет 7 мкм, толщина человеческого волоса от 40 до 120 мкм, 3–8 мкм — толщина паутины, 70 — 180 мкм — толщина бумаги
Считающаяся самой крупной в мире бактерией, Thiomargarita namibiensis может достигать размера в 750 000 нанометров (0,75 миллиметра) в диаметре.
Вирусы: размер и форма вирусов определяются количеством нуклеиновых кислот и белков, которые они содержат. Вирусы, как правило, имеют сферическую (полиэдрическую), палочковидную или спиральную форму.
Некоторые вирусы, такие как бактериофаги, имеют сложную форму, которая включает в себя добавление белкового хвоста, прикрепленного к капсиду с хвостовыми волокнами, отходящими от хвоста.
Вирусы гораздо меньше бактерий. Обычно их размеры варьируются от 20 до 400 нанометров в диаметре. Самые крупные известные вирусы, пандоравирусы, имеют размер около 1000 нанометров или полный микрометр.
На видео ниже можно посмотреть сравнение размеров различных микроорганизмов, клеток и вирусов.
Микроорганизмы настолько малы по сравнению с людьми, что у вас может возникнуть соблазн думать, что они примерно одного размера.
Как показывает это видео, это совсем не так. Риновирус и вирус полиомиелита имеют размер 0,03 микрона (мкм), эритроцит — 8 мкм, нейрон — 100 мкм и яйцо лягушки — 1 мм. Это диапазон в 5 порядков, примерно такой же разницы, как рост человека и толщина атмосферы Земли.
Мой зоопарк
Так что еще вопрос, кто в ком живет, кто решает, что нам есть, пить, вообще как жить. И самое главное: микробиом существует не сам по себе, он взаимодействует с нашим, влияет на мозг, на иммунную систему, на работу генов, на многие другие процессы. А значит, каждый человек уникален не только своим мозгом и геномом, но и своими микробами.
Вообще можно сказать, что в последние годы человек открыл для себя планету бактерий, как Колумб открыл Америку. Это первые существа, заселившие Землю миллиарды лет назад. Не люди, не животные, не растения, а микробы составляют 90-95 процентов биоразнообразия на планете. По мнению ученых, не человек, а эти микроорганизмы являются самыми важными ее обитателями, а ряд специалистов вообще считают бактерий венцом творения. И действительно, их способности поражают. Например, бактериям-экстремалам не страшна высокая радиация. Они живут и в вечной мерзлоте, и при температурах плюс 120[0]С, выдерживают огромные давления на дне океанов и летают в космосе почти при абсолютном вакууме
Интересное исследование провела группа кандидата биологических наук Дмитрия Алексеева из московского Физтеха. Ученые изучали кишечные бактерии у сельских жителей России, а также горожан нашей страны, США и Европы. Результаты исследований опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications
Почему у горожан столь аномальная команда бактерий, в принципе, понятно. Виноваты прежде всего антибиотики и консерванты, которые в огромном количестве применяются в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Они выбивают из метаболической цепочки определенные виды бактерий, а оставшиеся получают свободу действий и, что называется, расцветают буйным цветом. Например, из того же количества еды производят больше калорий. Отсюда и лишний вес.
Для ученых уже очевидно, что между микробиомом человека и его недугами есть взаимосвязь. И уже ряд болезней, например, диабет, появление полипов, аутоиммунные болезни стали проверять на состав микрофлоры.
Мировой сенсацией стал эксперимент профессора Найта с мышами. Он взял кишечные бактерии худых и полных людей и пересадил их стерильным мышам. В зависимости от того, от кого грызуны получили бактерии, одни стали худеть, другие стремительно толстеть. А когда ставших жирными мышам добавили бактерии от худых, они сбросили вес. Результаты этого и подобных экспериментов привели к созданию нового метода терапии: пересадке кишечных бактерий от здорового человека больному. В идеале ученые смогут управлять бактериями, изменяя их пропорции в организме человека. Сегодня в мире начинается бум исследований микробиоты. Это совершенно новый способ поддерживать наше здоровье. Намного безопасней по сравнению, к примеру, с курсами антибиотиков. Ведущие страны вкладывают в эти исследования миллионы долларов. Для некоторых болезней уже описан связанный с ней состав микрофлоры, например, язвенного колита. Выявлены бактерии, которые указывают на риск заработать атеросклероз. Этим методом пытаются лечить не только ожирение, но и язвенные колиты, болезнь Крона, диабет.
Уже многие клиники занимаются пересадкой бактерий для омоложения организма. Ведь вместе с человеком стареет и его микрофлора. Пересадка молодых «особей» подстегивает обмен веществ, активизирует иммунитет.
Какими были первые бактерии? Загадка, которой 3,5 млрд лет
Как сопоставить два типа клеточных стенок?
коллаж авторов статьи
Авторы
Редакторы
Каким был предок всех бактерий и почему теперь у них два типа клеточных оболочек? Для ответа на эти вопросы нужно взглянуть на историю возникновения различных гипотез и реконструировать геном общего предка всех бактерий.
Наверняка в различных статьях и новостях после упоминания какого-нибудь зловредного патогена вы встречали фразу: «Эта бактерия относится к грамположительному типу» или «Это грамотрицательная палочка». Но задумывались ли вы о том, зачем нужны такие уточнения?
У грамположительных бактерий поверх мембраны находится очень толстый слой пептидогликана (муреина), а у грамотрицательных этот слой тонок, и сверху его покрывает еще одна мембрана (рис. 1). Эти различия играют ключевую роль в медицинской микробиологии — в зависимости от типа клеточной стенки патогена будут различаться и методы борьбы с ним. Например, в случае грамотрицательных бактерий доставка антибиотика внутрь клетки осложняется тем, что клеточная стенка защищена дополнительной мембраной [3], [4].
Рисунок 1. Строение клеточной стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий. В обоих случаях поверх мембраны идет слой пептидогликана: у грамположительных бактерий этот слой толстый, а у грамотрицательных — очень тонкий, однако поверх него лежит еще одна мембрана.
Бактерий стали разделять на грамположительных и грамотрицательных в 1884 году, когда Ганс Христиан Грам разработал метод окрашивания для визуализации клеток пневмококка в легких пострадавших от пневмонии. Этот метод, известный как окрашивание по Граму, широко используется и поныне, хотя сам автор скромно заявлял: «Я опубликовал метод, хотя мне известно, что он пока очень несовершенен. Есть надежда, что и в руках других исследователей он будет полезным».
Как происходит окраска по Граму? Для начала на исследуемых бактерий капают краситель кристаллический фиолетовый и йод, который его проявляет, а также стабилизирует связь между клеточной стенкой и красителем. Затем образец промывают спиртом — мембрана лопается, и краситель вымывается наружу. При этом кристаллический фиолетовый застревает в толстой и пористой клеточной стенке грамположительных бактерий, а стенка грамотрицательных его не задерживает. Для окраски грамотрицательных бактерий можно использовать другой краситель — фуксин, он помогает отличить такие клетки от неживых частиц (рис. 2).
Рисунок 2. Способ окраски по Граму поэтапно
Первые бактерии: грамположительные или грамотрицательные?
Как, когда и почему у бактерий произошел переход от одномембранной клеточной оболочки к двухмембранной (или наоборот) — ключевые для микробиологов вопросы эволюционной биологии, на которые пока нет ответа.
На этот счет существуют несколько гипотез, которые в целом можно отнести к двум альтернативным сценариям: либо первыми появились предки грамположительных бактерий — монодермы (с одной мембраной); либо, наоборот, первыми были предки грамотрицательных бактерий — дидермы (с двумя мембранами) (рис. 3) [5].
Рисунок 3. Четыре основные гипотезы разделения двух типов клеточных оболочек
Одной из самых ранних была гипотеза Томаса Кавалье-Смита, который предположил, что потеря внешней мембраны была случайностью, произошедшей в результате мутации в генах, отвечающих за механизм роста клеточной стенки у дидерм [6]. Однако впоследствии оказалось, что бактерии Chloroflexi, которых Кавалье-Смит предложил поставить в основание филогенетического дерева бактерий, не являются ранней линией. Кроме того, внешняя мембрана грамотрицательных бактерий содержит большое количество важных для жизнедеятельности белков, поэтому едва ли она могла быть утрачена без последствий.
Согласно другой гипотезе, которую позже выдвинул Джеймс Лейк, первыми возникли монодермы, а дидермы образовались в результате слияния двух клеток монодерм. Однако эта гипотеза не имеет никаких филогенетических оснований, так что вряд ли в этом случае минус на минус дает плюс [7].
Еще позже новую гипотезу выдвинул Радхи Гупта. Согласно ей, первыми появились монодермы, а внешняя мембрана дидерм возникла для защиты от антибиотиков. Внешняя мембрана действительно от них защищает, однако не ясно, какое влияние имели антибиотики на таких ранних этапах эволюции бактерий [8].
И, наконец, совсем недавно Элиза Точева с коллегами выдвинула другую гипотезу, согласно которой переходная внешняя оболочка появляется во время образования эндоспор у монодерм — предков грамположительных бактерий, — а затем теряется при их прорастании. По этому сценарию дидермы произошли от спорулирующего предка всех бактерий [9].
Эти гипотезы, пусть и представляют определенный интерес, далеко не совершенны, и у каждой есть свои слабые стороны. Лишь недавно ученые получили результаты исследований, которые позволяют сделать выбор в пользу одной из гипотез.
Собираем по кусочкам
Сбор и кластеризация (то есть объединение по тем или иным признакам) данных бактериальных геномов, проведенные Джоанной Ксавье и ее командой, могут рассказать нам про последнего общего предка бактерий (last bacterial common ancestor, LBCA) — и показать, каким он был сотни миллионов лет назад [10].
К сожалению, из-за постоянного горизонтального переноса генов между бактериями проследить происхождение отдельных ветвей — задача нетривиальная. Потому исследователи выбрали другой подход: сосредоточить внимание на геномах именно анаэробных бактерий и генах, которые широко распространены среди них. При этом анализировали геномы современных групп, наиболее похожие по своему метаболизму на группы, которые раньше всего отделились от LBCA.
Исследователи проанализировали основные эволюционные линии анаэробных бактерий и нашли их общие гены. В результате были выбраны 146 семейств генов: 122 из них присутствовали в 90% всех геномов анаэробных прокариот, то есть были достаточно универсальны. По этим генам можно получить примерное представление о физиологии и образе жизни LBCA.
Абсолютно обычная бактерия
С помощью выбранных 146 семейств генов можно построить почти полную метаболическую сеть LBCA. В ней встречаются гены, кодирующие важнейшие прокариотические метаболиты (например, это 20 аминокислот, азотистые основания ДНК и РНК, кофакторы, а также некоторые другие соединения). Но картина получилась неполной: гены, кодирующие синтез других соединений, могли присутствовать у LUCA, но затем потерялись в процессе эволюции и теперь встречаются только у клостридий и дельтапротеобактерий.
О том, что такое автотрофия и какие еще бывают типы питания, можно прочесть в статье: «Особая диета: молекулярный водород три раза в день, ионы сульфата перед едой» [18].
Ближе к истине
Исследователи проделали большую работу, восстанавливая облик самой древней бактерии. Но к какой из гипотез, упомянутых выше, это нас приближает?
Реконструировав метаболизм LBCA, авторы статьи пришли к выводу, что больше всего сходств он имеет с клостридиями (отдел Firmicutes). К похожему же выводу пришли и Элиза Точева с коллегами: напоминаем, что, согласно их гипотезе, переходная внешняя оболочка появляется во время образования эндоспор у монодерм (как, например, у клостридий). Судя по всему, один из самых ранних предков всей клеточной жизни мог образовывать эндоспоры. Споры уже давно признаны исключительно устойчивыми формами жизни, они способны выдерживать экстремальные температуру и рН, обезвоживание и другие воздействия окружающей среды.
Работа молекулярных эволюционистов здорово напоминает детектив: по мельчайшим следам в геномах потомков необходимо собрать фоторобот предка. Современная наука делает большие успехи, расследуя происшествие, которому 3,5 млрд лет: мы многое можем сказать о предке всех бактерий, пусть никогда не увидим его вживую.
Маленький, да удаленький: самые маленькие клетки
Маленький, да удаленький: самые маленькие клетки
Наноархея Nanoarchaeum equitans достигает 350–500 нм в диаметре и паразитирует на другой архее — Ignicoccus hospitalis, имеющей «нормальные» размеры. Слева — электронные микрофотографии клетки I. hospitalis в окружении клеток N. equitans (сканирующая и просвечивающая электронные микроскопии). Справа — снимок с конфокального микроскопа, клетки N. equitans окрашены красным, I. hospitalis — зеленым.
Автор
Редактор
Стоило микробиологам смириться с тем, что некоторые вирусы, например, мимивирусы, по размерам превосходят многих бактерий, как выяснилось, что существует огромное количество бактерий и архей, которые столь малы, что могут проходить через фильтры с порами диаметром менее 0,45 мкм (450 нм), считавшиеся ранее непроницаемыми для клеток. Где же обитают эти загадочные пигмеи микробного мира, и каковы особенности их физиологии?
Хотя существование очень маленьких микробов было установлено еще в 1952 году, фильтрация через мембрану с порами диаметром 450 нм долгое время оставалась стандартным методом очистки водных образцов от клеток. Пропущенная через такой фильтр вода считалась пригодной для длительного хранения, а пропущенная через фильтр с порами диаметром 220 нм — стерильной. Однако впоследствии исследователи, следившие за концентрацией радиоактивно-меченной глюкозы, аминокислот и фосфатов в такой воде, показали, что эти вещества метаболизируются какими-то очень маленькими клетками, которые проникли сквозь фильтры. Такие маленькие микроорганизмы назвали ультрамикробактериями, или нанобактериями, (если они относятся к домену бактерий) и наноархеями (если они относятся к археям). Как показали многочисленные исследования, эти мельчайшие живые организмы во многом отличаются от клеток «обычных» микробов [1].
Кто же они, эти мельчайшие микроорганизмы?
Действительно ли эти крохотные клетки представляют собой самостоятельные виды? Может, это особые стадии жизненных циклов микробов «нормальных» размеров?
Пока что известно, что клетки некоторых бактерий при определенных условиях действительно сильно мельчают. Речь идет об условиях недостатка питательных веществ. Дело в том, что при уменьшении размера клетки отношение площади ее поверхности к объему увеличивается, поэтому она эффективнее удовлетворяет свои потребности в питательных веществах, впитываемых из окружающей среды. По этой причине многие микроорганизмы мельчают, когда жизнь становится тяжелой. Например, клетки Staphylococcus aureus при недостатке питательных веществ уменьшаются почти на 40%, а бактерии Pseudomonas syringae могут становиться вполовину меньше при неблагоприятных условиях.
В то же время некоторые микробы, имеющие весьма скромные размеры в природе, разрастаются на благодатных лабораторных средах. Например, пелагическая (то есть обитающая в толще океана) бактерия Sphignomonas alaskensis в естественной среде обитания достигает 0,2–0,5 мкм в диаметре и 0,5–3 мкм в длину, а в лаборатории ее клетки увеличиваются до 0,8 мкм в диаметре и 2–3 мкм в длину.
Интересно, что некоторые микроорганизмы, хотя и превышают 220 или 450 нм в диаметре, каким-то образом ухитряются протискиваться через поры фильтра. Как правило, это микробы, лишенные плотной клеточной стенки.
Наконец следует признать, что действительно существуют виды бактерий и архей, размеры клеток которых в любых условиях не превышают 50–400 нм в диаметре (около 0,1 мкм 3 в объеме), и именно этих микробов мы рассмотрим подробно.
Особенности физиологии и образа жизни клеток-пигмеев
Многие наномикробы ведут симбиотический образ жизни, а иногда даже паразитируют на других микроорганизмах. Так как часть необходимых для жизни соединений они получают от симбионта или хозяина, многие гены нанобактерий, отвечающие за различные метаболические процессы, становятся ненужными и утрачиваются. Так, в 2002 году был описан случай паразитирования одного вида архей, Nanoarchaeum equitans, на археях другого вида — Ignicoccus hospitalis [2]. Геном N. equitans содержит всего лишь полмиллиона пар оснований, и эта архея не может существовать без своего хозяина, а вот клеткам I. hospitalis, похоже, нахлебник и не причиняет вреда, и не приносит пользы (рис. 1).
Рисунок 1. Наноархея Nanoarchaeum equitans (маленькие шарики) паразитирует на архее Ignicoccus hospitalis (большие шары). Фотографии получены с помощью сканирующего электронного микроскопа. На некоторых изображениях видны мембранные контакты клеток.
Более сложные паразитические отношения сложились у бактерии Actinomyces odontolyticus subsp. actinosynbacter XN00, обитающей в полости рта человека, с маленькой бактерией, обозначаемой TM7x (ее относят к предполагаемому отделу Saccharibacteria). Клетки TM7x имеют сферическую форму 200–300 нм в диаметре, а геном этой бактерии включает всего лишь 0,705 миллиона пар оснований. В нормальных условиях TM7x просто прикрепляется к клеткам A. odontolyticus subsp. actinosynbacter XN00 и получает от них некую долю аминокислот, которые сама не может синтезировать. Однако в условиях голодания TM7x становится паразитом, буквально высасывает все соки из своего хозяина и убивает его. Но оказалось, что TM7x в нормальных условиях приносит своему хозяину и пользу, подавляя активность атакующих его макрофагов ротовой полости [3].
Свободноживущие наномикроорганизмы удалось найти в самых разных местообитаниях. Многие из них были обнаружены с помощью метагеномики, то есть секвенирования всех молекул ДНК, содержащихся в образце из окружающей среды. Многие из собранных таким образом геномов имеют крайне малые размеры, что свидетельствует об их вероятной принадлежности очень маленьким микроорганизмам. Изучение микробов в их естественной среде обитания, без культивирования, также возможно с помощью проточной цитометрии [4] и флуоресцентной гибридизации in situ (FISH). С помощью FISH можно флуоресцентно метить организмы с определенными последовательностями рРНК и, следовательно, относящиеся к одной таксономической группе, а затем отделять флуоресцирующие клетки с помощью цитометра. Такой подход позволил, например, описать кладу ультрамикробактерий, обозначаемую как LD12, которая обитает в пресной воде.
Рисунок 2. Клетка археи группы ARMAN
Некоторых наномикробов даже удалось вырастить в культуре. Бактерию Ca. Pelagibacter ubique удалось вырастить на нестандартной среде, состоящей из метионина, глицина, пирувата и искусственной морской воды (рис. 3) [1]. Выяснилось, что в условиях недостатка глицина эта бактерия может потреблять гликолат, который превращает в глицин, а глицин, в свою очередь, использует для биосинтеза серина. Вероятно, способность превращать гликолат в глицин возникла в ходе эволюции в ответ на избыток гликолата, который появляется в фикопланктоне в условиях углеродного голодания.
Рисунок 3. Клетка Ca. Pelagibacter ubique под электронным микроскопом
Некоторые ультрамикробактерии освоили бедные кислородом пелагические воды. Так, с помощью проточной цитометрии выделили группу бактерий SUP05, способных метаболизировать серу и, по-видимому, играющих важную роль в круговороте углерода, серы и азота.
Наномикробы приспособились даже к условиям торфяных болот, где, хотя и нет недостатка в органическом углероде, очень мало минеральных веществ. Например, в сфагновом болоте на севере России удалось выделить множество видов нанобактерий и наноархей из самых разных систематических групп.
Мельчайшие микроорганизмы сумели освоить даже льды Гренландии, размножаясь при отрицательных температурах и крайне низких концентрациях питательных веществ. Живые клетки были обнаружены даже в образце гренландского льда возрастом 120 тысяч лет! Примечательно, что, помимо бактерий и архей, в образцах льда найдены даже споры грибов.
В 2015 году представители трех предполагаемых отделов бактерий (WWE3, OD11 и OP1) были найдены в окрестностях реки Колорадо — в подземных водах, расположенных на глубине нескольких метров от поверхности [6]. С помощью криоэлектронной микроскопии у них удалось идентифицировать пили, клеточные стенки и даже пронаблюдать клеточное деление и заражение вирусами. Последующий метагеномный анализ показал, что у этих бактерий имеется фермент Рубиско (рибулозобисфосфаткарбоксилаза), с помощью которого растения фиксируют углекислый газ и в цикле Кальвина включают его в углеводы. Однако у формы Рубиско, найденной у ультрамикробактерий, фиксация углекислого газа сопряжена с непосредственным образованием АТФ из АМФ [7].
Заключение
Несмотря на очень малые размеры, нанобактерии и наноархеи освоили самые разнообразные, зачастую даже экстремальные местообитания. У них обнаруживаются уникальные метаболические пути, они способны к сложным взаимодействиям с другими организмами — чего стоит одна крошечная бактерия TM7x, которая научилась даже усмирять макрофагов в ротовой полости человека! Бурное описание сотен и тысяч новых видов микроорганизмов, ставшее возможным благодаря распространению метагеномики, несомненно, приведет к открытию еще более удивительных свойств самых маленьких живых клеток на Земле.