巨型细菌以独特的过程为自己提供动力

并非所有细菌都是一样的。

大多数是单细胞的，很小，只有万分之几厘米长。但是Epulopiscium家族的细菌足够大，可以用肉眼看到，并且是其更知名的表亲大肠杆菌的100万倍。

在12月18日发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一项研究中，康奈尔大学和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员首次描述了巨人家族中一个物种的完整基因组，他们将其命名为Epulopiscium viviparus。

“这种令人难以置信的巨型细菌在很多方面都是独特而有趣的：它巨大的体型，它的繁殖方式，它满足其代谢需求的方法等等，”农业与生命科学学院微生物学教授Esther Angert说，该研究的通讯作者。揭示这种生物体的基因组潜力让我们大吃一惊。

Epulopiscium家族的第一个成员于1985年被发现。该物种的所有成员共生生活在热带海洋珊瑚礁环境（例如大堡礁和红海）的某些刺鱼的肠道内。

由于其巨大的体型，科学家们最初认为它是某种不同类型的原生动物，安格特说。Epulopiscium 这个名字来自拉丁语词根 epulo，意思是“客人”，而 piscium 是“鱼的客人”。虽然大多数细菌通过将自己分成两半来产生两个后代来繁殖，但 E. viviparus 创造了多达 12 个自己的副本，这些副本在亲本细胞内生长，然后被释放，“活跃和游泳 – viviparus 意味着’活产’，”Angert 说。

研究这些巨型细菌需要捕获它们生活的鱼类并保存细胞或尽可能快速和仔细地提取DNA和RNA，Angert说，他几十年来一直与澳大利亚蜥蜴岛研究站的鱼类生物学家合作收集和研究样本。

研究人员特别有兴趣了解E. viviparus如何满足其极端的代谢需求。以环境中的营养物质为食，而不是从阳光中产生自己的能量的细菌通常分为两个阵营：那些能够获得氧气的细菌和那些无法获得氧气的细菌。没有氧气，细菌经常使用发酵来提取能量，而“发酵生物体并没有从营养物质中获得那么多的收益，”安格特说。

看到 E. viviparus 确实是一种发酵罐，只是让谜题变得更大，因为它巨大的体型、极端的繁殖和游泳能力都需要更多的能量，而不是更少。

研究人员发现，E. viviparus已经改变了它的新陈代谢，以充分利用其环境，通过使用一种罕见的方法来制造能量和移动（引起霍乱的细菌使用相同的游泳方法），并将其遗传密码的很大一部分用于制造酶，这些酶可以收集宿主肠道中的营养物质。在产量最高的酶中，是用于制造ATP的酶，ATP是所有细胞的能量货币。Anent说，沿着E. viviparus外缘延伸的高度折叠膜为产生能量和运输蛋白质提供了重要的空间，与线粒体在更复杂生物体细胞中的功能有一些令人惊讶的相似之处。

“我们都知道’线粒体是细胞的动力源’这句话，”安格特说，“令人惊讶的是，E. viviparus中的这些膜与线粒体收敛在相同的模型上：它们具有高度折叠的膜，增加了这些产生能量的泵可以工作的表面积，并且增加的表面积创造了能量的动力源。

Anert说，这项基础研究具有许多潜在的未来应用，特别是因为E. viviparus具有利用藻类中发现的营养物质的有效策略。藻类是牲畜饲料、可再生能源和人类营养的一个日益增长的目标，因为它的增长不会与陆基农业竞争。

该研究的第一作者是David Sannino博士，17岁，Angert实验室的前博士后助理。其他合著者是 Francine Arroyo 博士 ’19 和前博士后研究员 Charles Pepe-Ranney 和 Wenbo Chen;Jean-Marie Volland和Nathalie Elisabeth，均在劳伦斯伯克利国家实验室工作。

这项研究得到了美国国家科学基金会和能源部的支持。

Krisy Gashler是农业与生命科学学院的作家。