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 мкм³ 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).

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.

Особую группу архей, известную как ARMAN (от Archaeal Richmond Mine Acidophilic Nanoorganism, ацидофильные наноархеи Ричмондских рудников), обнаружили в образце кислых шахтных вод (рис. 2). Криоэлектронная микроскопия [5] показала, что эти микробы представляют собой клетки объемом всего лишь 0,03 мкм³, однако с четко выраженными клеточными стенками.

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.

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.

Литература

1. Lydia-Ann J. Ghuneim, David L. Jones, Peter N. Golyshin, Olga V. Golyshina. (2018). Nano-Sized and Filterable Bacteria and Archaea: Biodiversity and Function. Front. Microbiol.. 9;
2. Harald Huber, Michael J. Hohn, Reinhard Rachel, Tanja Fuchs, Verena C. Wimmer, Karl O. Stetter. (2002). A new phylum of Archaea represented by a nanosized hyperthermophilic symbiont. Nature. 417, 63-67;
3. Xuesong He, Jeffrey S. McLean, Anna Edlund, Shibu Yooseph, Adam P. Hall, et. al.. (2015). Cultivation of a human-associated TM7 phylotype reveals a reduced genome and epibiotic parasitic lifestyle. Proc Natl Acad Sci USA. 112, 244-249;
4. 12 методов в картинках: проточная цитофлуориметрия;
5. 12 методов в картинках: микроскопия;
6. Birgit Luef, Kyle R. Frischkorn, Kelly C. Wrighton, Hoi-Ying N. Holman, Giovanni Birarda, et. al.. (2015). Diverse uncultivated ultra-small bacterial cells in groundwater. Nat Commun. 6;
7. R. S. Kantor, K. C. Wrighton, K. M. Handley, I. Sharon, L. A. Hug, et. al.. (2013). Small Genomes and Sparse Metabolisms of Sediment-Associated Bacteria from Four Candidate Phyla. mBio. 4;
8. Richard J Giannone, Louie L Wurch, Thomas Heimerl, Stanton Martin, Zamin Yang, et. al.. (2015). Life on the edge: functional genomic response of Ignicoccus hospitalis to the presence of Nanoarchaeum equitans. ISME J. 9, 101-114.