Majoritatea bacteriilor, cum este E. coli, au o lungime de aproximativ un micrometru (un micron) – mai puțin de o zecime din grosimea unui fir de păr uman, fiind invizibile în lipsa unui microscop.
Recent, oamenii de știință au descoperit o bacterie, numită Candidatus (Ca.) Thiomargarita magnifica, ce este de 10.000 de ori mai mare decât E. coli. Celulele de Ca. T. magnifica au fost descoperite atașate de frunzele scufundate în mangrovele din Guadelupa – un mediu marin cu acid sulfuric. În mod uimitor, această bacterie este vizibilă cu ochiul liber, sub forma unor filamente lungi.
Inițial, oamenii de știință au crezut că specia nou-descoperită este o ciupercă sau un vierme, dar, după analiza genomului, au fost surprinși să constate că este vorba despre o bacterie. Dimensiunea acestei bacterii este cu două ordine de magnitudine peste mărimea maximă estimată.
Ce anume determină mărimea bacteriilor?
Există două motive principale pentru care majoritatea bacteriilor prezintă lungimi în jur de un micrometru.
Mai întâi, bacteriile nu pot fi prea mici, deoarece trebuie să înglobeze tot materialul lor genetic, fără a lăsa nicio genă pe dinafară. De asemenea, ele trebuie să conțină toate componentele necesare pentru exprimarea genelor respective. Unele dintre cele mai mici bacterii, cum este Candidatus Actinomarina minuta, au doar 1% din volumul bacteriei E. coli.
Pe de altă parte, bacteriile nu pot fi nici prea mari, deoarece ele trebuie să poată transporta componentele de la un capăt la celălalt al celulei. Aceasta este una dintre diferențele-cheie între celulele eucariote și cele procariote.
Celulele eucariote, cum sunt cele care ne formează corpul, prezintă mecanisme active de transport, ceea ce înseamnă că ele utilizează energie (sub formă de ATP, de exemplu) pentru transportul materialelor. Spre deosebire de eucariote, bacteriile, care sunt organisme procariote, folosesc o metodă de transport pasiv denumită difuziune pentru transportul materialelor în interiorul celulei. Difuziunea reprezintă mișcarea aleatorie a particulelor de la concentrații ridicate la concentrații coborâte. Difuziunea este mult mai lentă decât transportul activ, deci este important ca bacteriile să poate deplasa materialele necesare într-un timp rezonabil.
O altă diferență între celulele eucariote și cele procariote este faptul că eucariotele prezintă organite prevăzute cu membrane, cum sunt mitocondriile, ceea ce permite materialelor să fie izolate și separate prin bariere din interiorul celulei.
De ce este importantă limita de difuziune?
Difuziunea este dificilă pe distanțe lungi. Din punct de vedere matematic, putem utiliza ecuația Stokes-Einstein pentru a estima timpul necesar difuziunii unei particule. Timpul de difuziune este determinat de pătratul distanței ce trebuie parcursă de particulă respectivă. Cu alte cuvinte, timpul necesar unei proteine pentru a parcurge distanța r este egal cu r2.
Timpul de difuziune depinde, de asemenea, de mărimea și forma particulei, precum și de mediul prin care aceasta difuzează – acești factori sunt reprezentați în formulă prin coeficientul de difuziune (D). Pentru difuziunea unei proteine prin citoplasmă, coeficientul de difuziune este de circa 10 μm2/s.
În cazul unei celule de E. coli cu r = 1 μm, timpul de difuziune ar fi de aproximativ 10 milisecunde. O celulă HeLa (o linie de celule umane utilizate pe larg în laborator) are o rază în jur de 20 μm, deci difuziunea unei proteine în interiorul ei ar dura circa 10 secunde.
În cazul Ca. T. magnifica, care are o lungime de un centimetru, timpul de difuziune ar fi de 106 secunde (11 zile). Așadar, Ca. T. magnifica și alte bacterii uriașe trebuie să aibă metode care să le permită depășirea limitei de difuziune.
O proteină ar avea nevoie de 11 zile pentru a traversa o celulă de Candidatus T. magnifica. În cazul unei celule mai mici de E. coli, difuziunea ar avea loc doar în 10 milisecunde.
Cum depășește Ca. T. magnifica limita de difuziune?
Oamenii de știință care au descoperit bacteria Ca. T. magnifica au constatat că unele dintre caracteristicile sale unice ar putea explica dimensiunile sale mari.
O modalitate prin care Ca. T. magnifca ocolește limita de difuziune este reducerea distanței prin care proteinele și alți metaboliți trebuie să o parcurgă în interiorul celulei. Pentru a realiza acest lucru, bacteria prezintă a vacuolă mare în centrul său, care reduce volumul citoplasmei. În loc de a umple întreaga celule, citoplasma este împinsă doar spre periferia acesteia. Potrivit cercetătorilor, vacuola centrală reprezintă 73,2 ± 7,5 % din volumul total al bacteriei.
O altă modalitate prin care Ca. T. magnifica reduce distanța pe care metaboliții trebuie să o parcurgă este prin compartimentare. Bacteria are ADN-ul și ribozomii în organite delimitate de membrane denumite „pepine”. După cum s-a menționat mai sus, acest lucru este foarte neobișnuit pentru bacterii, deoarece, de obicei, procariotele nu prezintă organite prevăzute cu membrane. Având ADN-ul și ribozomii în compartimente face să nu fie necesar difuziunea pentru ca aceste două componente să se întâlnească.
ATP-sintaza este o enzimă responsabilă de producerea ATP-ului, iar la celulele eucariote ea este localizată în mitocondrii. Deoarece bacteriile nu prezintă mitocondrii, ATP-sintaza bacterienă este localizată în membrana plasmatică, o membrană care căptușește circumferința interioară a bacteriilor. Totuși, Ca. T. magnifica are ATP-sintaza localizată în jurul pepinelor și în complexa rețea de membrane din citoplasmă. Acest lucru permite bacteriei să fie mai puțin dependentă de raportul dintre suprafață și volum. În loc să fie restricționată de suprafața membranei plasmatice, Ca. T. magnifica poate utiliza suprafața mai mare a membranelor interne pentru a găzdui mai multă ATP-sintază.
În cele din urmă, Ca. T. magnifica este o celulă poliploidă, ceea ce înseamnă că o singură bacterie conține numeroase copii ale genomului său. Poliploidia este des întâlnită la bacteriile uriașe, deoarece ea susține mai ușor dezvoltarea celulară – mașinăria celulară poate produce mai multe proteine în același timp și poate avea răspunsuri la stimuli mai localizate.
Ce înseamnă toate acestea pentru știință?
Ca. T. magtifica este cea mai mare dintre bacteriile uriașe cunoscute până în prezent, depășind celelalte bacterii uriașe cu un factor de 50x. Acest organism ocolește limita de difuziune prin prezența unei vacuole centrale mari și compartimentarea ADN-ului și ribozomilor.
Descoperirea acestei bacterii uriașe demonstrează că mai există multe lucruri de învățat despre primele forme de viață și că există o diversitate bacteriană mult mai mare decât n-am imaginat. Poate că vor fi descoperite bacterii mai mari decât Ca. T. magnifica.