In einem karibischen Mangrovenwald haben Wissenschaftler eine Bakterienart entdeckt, die die Größe und Form einer menschlichen Wimper erreicht.
Diese Zellen sind die größten jemals beobachteten Bakterien, tausendmal größer als bekanntere Bakterien wie Escherichia coli. „Es wäre, als würde man einen anderen Menschen von der Größe des Mount Everest treffen“, sagte Jean-Marie Volland, Mikrobiologe am Joint Genome Institute in Berkeley, Kalifornien.
Dr. Volland und seine Kollegen veröffentlichten ihre Studie über das Bakterium namens Thiomargarita magnifica am Donnerstag in der Zeitschrift Science.
Wissenschaftler dachten einst, Bakterien seien zu einfach, um große Zellen zu produzieren. Aber Thiomargarita magnifica erweist sich als bemerkenswert komplex. Da der größte Teil der Bakterienwelt noch erforscht werden muss, ist es durchaus möglich, dass noch größere, noch komplexere Bakterien darauf warten, entdeckt zu werden.
Es ist etwa 350 Jahre her, dass der niederländische Linsenschleifer Antonie van Leeuwenhoek Bakterien entdeckte, indem er seine Zähne kratzte. Als er den Zahnbelag unter ein primitives Mikroskop legte, war er erstaunt, Einzeller herumschwimmen zu sehen. In den nächsten drei Jahrhunderten fanden Wissenschaftler viele weitere Arten von Bakterien, die alle mit bloßem Auge unsichtbar waren. Eine E. coli-Zelle misst beispielsweise etwa zwei Mikrometer oder weniger als ein Zehntausendstel Zoll.
Jede Bakterienzelle ist ein eigener Organismus, was bedeutet, dass sie wachsen und sich in ein Paar neuer Bakterien teilen kann. Aber Bakterienzellen leben oft zusammen. Van Leeuwenhoeks Zähne waren mit einem gallertartigen Film überzogen, der Milliarden von Bakterien enthielt. In Seen und Flüssen verkleben einige Bakterienzellen zu winzigen Filamenten.
Wir Menschen sind vielzellige Organismen, unser Körper besteht aus etwa 30 Billionen Zellen. Unsere Zellen sind zwar auch mit bloßem Auge unsichtbar, aber typischerweise viel größer als die von Bakterien. Eine menschliche Eizelle kann einen Durchmesser von etwa 120 Mikrometern oder fünf Tausendstel Zoll erreichen.
Die Zellen anderer Arten können noch größer werden: Die Grünalge Caulerpa taxifolia produziert blattförmige Zellen, die bis zu 30 cm lang werden können.
Als die Kluft zwischen kleinen und großen Zellen auftauchte, wandten sich die Wissenschaftler der Evolution zu, um einen Sinn darin zu finden. Tiere, Pflanzen und Pilze gehören alle derselben evolutionären Linie an, die Eukaryoten genannt werden. Eukaryoten teilen viele Anpassungen, die ihnen helfen, große Zellen aufzubauen. Wissenschaftler argumentierten, dass Bakterienzellen ohne diese Anpassungen klein bleiben müssten.
Zu Beginn braucht eine große Zelle physische Unterstützung, damit sie nicht zusammenbricht oder auseinander reißt. Eukaryotenzellen enthalten steife molekulare Drähte, die wie Stangen in einem Zelt funktionieren. Bakterien haben dieses Zellskelett jedoch nicht.
Eine große Zelle steht auch vor einer chemischen Herausforderung: Mit zunehmendem Volumen dauert es länger, bis Moleküle herumtreiben und auf die richtigen Partner treffen, um präzise chemische Reaktionen durchzuführen.
Eukaryoten haben eine Lösung für dieses Problem entwickelt, indem sie Zellen mit winzigen Kompartimenten füllen, in denen unterschiedliche Formen der Biochemie stattfinden können. Sie halten ihre DNA zusammen mit Molekülen, die Gene lesen können, um Proteine herzustellen, zusammengerollt in einem Beutel, der als Zellkern bezeichnet wird, oder die Proteine produzieren neue Kopien der DNA, wenn sich eine Zelle reproduziert. Jede Zelle erzeugt Brennstoff in Beuteln, die Mitochondrien genannt werden.
Bakterien haben nicht die Kompartimente, die man in Eukaryotenzellen findet. Ohne Kern trägt jedes Bakterium normalerweise eine DNA-Schleife, die frei in seinem Inneren schwimmt. Sie haben auch keine Mitochondrien. Stattdessen erzeugen sie typischerweise Kraftstoff mit Molekülen, die in ihre Membranen eingebettet sind. Diese Anordnung funktioniert gut für winzige Zellen. Aber wenn das Volumen einer Zelle zunimmt, gibt es auf der Oberfläche der Zelle nicht genug Platz für genügend kraftstofferzeugende Moleküle.
Die Einfachheit der Bakterien schien zu erklären, warum sie so klein waren: Sie hatten einfach nicht die Komplexität, die notwendig ist, um groß zu werden.
Laut Shailesh Date, dem Gründer des Laboratory for Research in Complex Systems in Menlo Park, Kalifornien, und Co-Autor von Dr. Volland, wurde diese Schlussfolgerung jedoch zu voreilig gezogen. Wissenschaftler machten weitreichende Verallgemeinerungen über Bakterien, nachdem sie nur einen winzigen Teil der Bakterienwelt untersucht hatten.
„Wir haben gerade erst an der Oberfläche gekratzt, aber wir waren sehr dogmatisch“, sagte er.
Dieses Dogma begann in den 1990er Jahren zu knacken. Mikrobiologen fanden heraus, dass einige Bakterien ihre eigenen Kompartimente unabhängig voneinander entwickelt haben. Sie entdeckten auch Arten, die mit bloßem Auge sichtbar waren. Epulopiscium fishelsoni zum Beispiel kam 1993 ans Licht. Das Bakterium lebt im Inneren von Doktorfischen und wird bis zu 600 Mikrometer lang – größer als ein Salzkorn.
Olivier Gros, Biologe an der Universität der Antillen, entdeckte Thiomargarita magnifica im Jahr 2009, als er die Mangrovenwälder von Guadeloupe, einer Ansammlung karibischer Inseln, die zu Frankreich gehören, untersuchte. Die Mikrobe sah aus wie kleine Stücke weißer Spaghetti, die einen Mantel auf toten Baumblättern bildeten, die im Wasser trieben.
Zunächst wusste Dr. Gros nicht, was er gefunden hatte. Er dachte, die Spaghetti könnten Pilze, kleine Schwämme oder irgendein anderer Eukaryot sein. Aber als er und seine Kollegen im Labor DNA aus Proben extrahierten, stellte sich heraus, dass es sich um Bakterien handelte.
Dr. Gros schloss sich mit Dr. Volland und anderen Wissenschaftlern zusammen, um die seltsamen Organismen genauer zu untersuchen. Sie fragten sich, ob die Bakterien mikroskopisch kleine Zellen waren, die zu Ketten zusammengeklebt waren.
Wie sich herausstellte, war dies nicht der Fall. Als die Forscher mit Elektronenmikroskopen in die Bakteriennudeln spähten, erkannten sie, dass es sich bei jeder um eine eigene gigantische Zelle handelte. Die durchschnittliche Zelle war etwa 9.000 Mikrometer lang, und die größte war 20.000 Mikrometer lang – lang genug, um den Durchmesser eines Pennys zu überspannen.
Studien zu Thiomargarita magnifica sind nur langsam vorangekommen, da Dr. Vallant und seine Kollegen noch herausfinden müssen, wie sie die Bakterien in ihrem Labor züchten können. Im Moment muss Dr. Gros jedes Mal, wenn das Team ein neues Experiment durchführen möchte, einen frischen Vorrat an Bakterien sammeln. Er findet sie nicht nur auf Blättern, sondern auch auf Austernschalen und Plastikflaschen, die auf den schwefelreichen Sedimenten im Mangrovenwald sitzen. Aber die Bakterien scheinen einem unvorhersehbaren Lebenszyklus zu folgen.
„In den letzten zwei Monaten konnte ich sie nicht finden“, sagte Dr. Gros. „Ich weiß nicht, wo sie sind.“
Im Inneren der Zellen von Thiomargarita magnifica haben die Forscher eine bizarre, komplizierte Struktur entdeckt. In ihre Membranen sind viele verschiedene Arten von Kompartimenten eingebettet. Diese Kompartimente unterscheiden sich von denen in unseren eigenen Zellen, aber sie können es Thiomargarita magnifica ermöglichen, zu riesigen Größen heranzuwachsen.
Einige der Kompartimente scheinen Fabriken zur Kraftstofferzeugung zu sein, in denen die Mikrobe die Energie aus Nitraten und anderen Chemikalien, die sie in der Mangrove verbraucht, anzapfen kann.
Thiomargarita magnifica hat auch andere Kompartimente, die bemerkenswert wie menschliche Kerne aussehen. Jedes der Kompartimente, die die Wissenschaftler nach den kleinen Samen in Früchten wie Kiwis Pepine nennen, enthält eine DNA-Schleife. Während eine typische Bakterienzelle nur eine DNA-Schleife hat, hat Thiomargarita magnifica Hunderttausende von ihnen, jede in ihrem eigenen Pepin.
Noch bemerkenswerter ist, dass jedes Pepin Fabriken zum Aufbau von Proteinen aus seiner DNA enthält. „Sie haben im Wesentlichen kleine Zellen in den Zellen“, sagte Petra Levin, eine Mikrobiologin an der Washington University in St. Louis, die nicht an der Studie beteiligt war.
Der riesige DNA-Vorrat von Thiomargarita magnifica kann es ihr ermöglichen, die zusätzlichen Proteine zu produzieren, die sie braucht, um groß zu werden. Jedes Pepin kann einen speziellen Satz von Proteinen herstellen, die in seiner eigenen Region des Bakteriums benötigt werden.
Dr. Volland und seine Kollegen hoffen, dass sie diese Hypothesen bestätigen können, nachdem sie mit der Züchtung der Bakterien begonnen haben. Sie werden auch andere Geheimnisse angehen, wie zum Beispiel, wie das Bakterium es schafft, ohne ein molekulares Skelett so hart zu sein.
„Man kann mit einer Pinzette ein einzelnes Filament aus dem Wasser nehmen und in ein anderes Gefäß stecken“, sagt Dr. Volland. „Wie es zusammenhält und wie es seine Form annimmt – das sind Fragen, die wir nicht beantwortet haben.“
Dr. Date sagte, dass es möglicherweise noch mehr riesige Bakterien gibt, die darauf warten, gefunden zu werden, vielleicht sogar größer als Thiomargarita magnifica.
„Wie groß sie werden können, wissen wir nicht genau“, sagte er. „Aber jetzt hat uns dieses Bakterium den Weg gewiesen.“