海洋微生物界的巨人：揭秘刺蝶魚腸道中的巨型細菌

 

圖片來源：PNAS

以為細菌都是小不點嗎？事實上，科學家不斷地發現超大細菌。1993年，科學家在刺尾鯛科發現了Candidatus Epulopiscium這種超大細菌，它是200–700 μm長的異營細菌。後來，在1999年，科學家在在非洲納米比亞的海岸附近的海床沉積物中發現了以硫化物作為能量來源的Thiomargarita namibiensis。由於T. namibiensis是自營菌，所以C. Epulopiscium還是穩坐最大異營菌的寶座。

不過，這個寶座最近換人坐了。有科學家在熱帶海洋刺蝶魚（Acanthuridae家族）的腸道中發現了Ca. Epulopiscium viviparus。它們呈雪茄形狀，可以達到長600微米、寬80微米的大小。

這種細菌的基因體的大小為3,282,201個鹼基對（bp） 。這其實並不大（大腸桿菌的基因體有4.6Mbps，比它大），但是Ca. Epulopiscium viviparus的基因組中卻有一些相對較大的基因。這些基因中，有六個長度超過10千鹼基對（kb），其中一半超過15 kb。其中最大的基因是一個包含6869個胺基酸基的蛋白質。這個蛋白質含有分泌信號、跨膜域、纖維連接蛋白III域（Fn3）、黏蛋白保留位點和類似於果膠和鼠李糖半乳糖醛酸裂解酶的平行β螺旋重複結構。這些特徵顯示這個蛋白質可能是一種位於細胞表面的糖水解酶。與大腸桿菌（Escherichia coli）相較，大腸桿菌中最大的已知蛋白質是DNA聚合酶III的β次單元（dnaN），該基因大約760個氨基酸。這與Ca. Epulopiscium viviparus中最大的基因（編碼6869個氨基酸的蛋白質）相比，顯得小很多。

另外一個特別的地方是，Ca. Epulopiscium viviparus展示了極端的多倍體性，擁有數以萬計的染色體 。這意味著儘管其基因組的總鹼基對數量相對較小，但是由於多倍體的存在，其細胞內有大量的基因體，這可能是為了滿足其大型細胞結構和代謝需求。

至於它的代謝方面，從定序分析可知，Ca. Epulopiscium viviparus將其大約15.43%的蛋白質基因分配給碳水化合物的運輸和代謝，這一比例高於其他被研究的基因體，包括其他腸道菌。

Ca. Epulopiscium viviparus產生ATP的主要方式是通過發酵過程以及利用其富含鈉離子的環境。這種細菌在發酵過程中生成了所需的能量，並且透過利用它所處環境中的鈉離子，產生了鈉動力（sodium-motive force, SMF）。這個鈉動力是推動ATP合成和鞭毛運動的關鍵動力來源。

Ca. Epulopiscium viviparus擁有合成多種維生素B群的基因體能力，具體包括維生素B₂、B₆和B₁₂。

Ca. Epulopiscium viviparus具有累積多聚磷酸（polyphosphate）的能力。其基因體中包含了外多聚磷酸酶（exopolyphosphatase）和多聚磷酸激酶（polyphosphate kinase）的基因，以及一個依賴鈉離子/磷酸根（Na⁺/Pi）的磷酸根轉運蛋白。

為什麼要研究它呢？研究這麼特別的生物，可以擴展我們對這個世界的理解，也能讓我們進一步認識到「什麼都不奇怪」是什麼意思。

參考文獻：

David R. Sannino et al. 2023. The exceptional form and function of the giant bacterium Ca. Epulopiscium viviparus revolves around its sodium motive force. PNAS 120 (52): e2306160120; doi: 10.1073/pnas.2306160120