Eerste gedetailleerde beelden van de kleinst mogelijke bacteriën

Over het bestaan van de superkleine bacteriën wordt al enkele decennia gedebatteerd en tot nog toe waren er geen microscopische foto's van of een beschrijving gebaseerd op hun DNA. Nu zijn die er voor het eerst. 

De bacteriën hebben gemiddeld een volume van 0,009 kubieke micron - een micron of micrometer is een miljoenste van een meter, een duizendste van een millimeter. In een gewone Escheria colli-bacterie zouden er 150 van de kleine bacteriën passen en op de punt van een menselijk haar zo'n 150.000.

Ze werden gevonden in grondwater en komen algemeen voor, maar ze zijn ook erg vreemd. Dat is geen verrassing, want de bacteriën zitten erg dicht bij, of soms zelfs onder, de grens van wat gedacht wordt dat de kleinst mogelijke levensvorm kan zijn. De superkleine bacteriën zijn het kleinst dat een cel kan zijn, terwijl ze toch nog genoeg materiaal bevat om leven mogelijk te maken.

Uit de foto's blijkt dat de bacteriën dicht opeengepakte spiralen bevatten, waarschijnlijk DNA, een klein aantal ribosomen - de proteïne-fabriekjes van de cel -, en haarachtige uitstekels. Die worden "pili" genoemd, en ze dienen waarschijnlijk om contact te leggen met andere microben.

Dat blijkt ook nodig, want uit het genetisch onderzoek blijkt dat de bacteriën niet zelf in een aantal van hun levensbehoeften kunnen voorzien, ze hebben er eenvoudigweg de genen niet voor. En dus zullen ze daarvoor afhankelijk zijn van andere bacteriën.

Uit deze foto blijkt dat de bacterie talrijke haarachtige uitsteeksels heeft op haar oppervlak. De onderzoekers denken dat die de cel in staat stellen contact te leggen met andere bacteriën. De schaalstaaf is 100 nanometer of 0,1 micrometer. (Foto: Berkeley Lab)

De bacteriën komen uit drie stammen of phyla, waar we niet veel over weten. Als we meer te weten komen over deze organismen, kan dat nieuw licht werpen op de rol van microben in het klimaat van de planeet, in onze voedsel- en watervoorraden, en in andere belangrijke processen.

"De nu beschreven ultrakleine bacteriën zijn een voorbeeld van een subset van het bacteriële leven op aarde waar we bijna niets over weten", zei Jill Banfield van het Berkeley Lab en UC Berkeley op de website van het Berkely Lab. "Ze zijn een raadsel. Deze bacteriën worden gevonden in vele leefmilieus en ze spelen waarschijnlijk een belangrijke rol in de bacteriële gemeenschappen en ecosystemen. Maar we begrijpen nog niet ten volle wat deze ultrakleine bacteriën doen."

Banfield is een van de belangrijkste auteurs van de studie over de kleine bacteriën in Nature Communications, samen met Birgit Luef, die deel uitmaakte van haar onderzoeksgroep en nu aan de universiteit van het Noorse Trondheim werkt.

"Er is geen eensgezindheid over hoe klein een zelfstandig levend organisme kan zijn, en welke ruimtebesparende strategieën de cellen die aan de onderste limiet van de grootte voor leven zitten, gebruiken. Ons onderzoek is een belangrijke stap in het beschrijven van de vorm, de grootte en de interne structuur van ultrakleine cellen", zei Luef.

De onderzoekers wilden bacteriën bestuderen van stammen die geen gekweekte varianten hebben. Een aantal van die bacteriën hebben hele kleine genomen, en dus gingen de onderzoekers ervan uit dat de bacteriën zelf ook wel eens heel klein zouden kunnen zijn. 

Om de bacteriën te concentreren in hun stalen, filterden ze grondwater uit Rifle in Colorado door steeds fijnere filters, tot ze uiteindelijk een filter van 0,2 micron bereikten. Dat is de maat die gebruikt wordt om water te steriliseren, maar het staal dat ze overhielden was allesbehalve steriel. Het zat vol met de ongelooflijk kleine microben, die zeer snel bevroren werden tot -272 graden Celsius, dicht bij het absolute nulpunt. Dat zorgde er voor dat de bacteriën niet beschadigd raakten tijdens hun overbrenging naar het laboratorium.

De bevroren stalen werden naar het Berkeley Lab gebracht, waar Luef en haar team de grootte en de interne structuren van de bacteriën in kaart bracht met behulp van 2-D en -D cryogenische transmissie elektronen microscopie. De beelden toonden ook bacteriën die zich aan het delen waren, wat aantoont dat de bacteriën gezond waren en dat hun abnormaal kleine omvang niet te wijten was aan ondervoeding. 

Het genoom van de bacteriën werd in kaart gebracht in het Joint Genome Institute in Walnut Creek in Californië. De genomen bleken zo'n miljoen basenparen in lengte te zijn en uit verdere analyses aan het UC Berkely bleek dat het om verschillende bacteriën uit de stammen WWE3, OP11 en OD1 ging. 

Dat leverde de meest complete beschrijving ooit op van deze ultrakleine bacteriën. Daaruit bleek dat het wel degelijk om bacteriën ging en niet om Archaea of oerbacteriën, en ook dat de onderzoekers nog veel moeten leren over de ultrakleine levensvormen. "We kennen de functie niet van de helft van de genen die we gevonden hebben in de organismen van deze drie phyla", zei Banfield.

Het onderzoek is een belangrijke bijdrage tot de kennis over ultrakleine organismen. Eerder hebben onderzoekers het volume van bacteriën uit de zee geschat op 0,13 kubieke micron, maar ze gebruikten een techniek waarbij de doormeter van de cel niet direct gemeten werd. Ook zijn er al beelden met een elektronenmicroscoop genomen van Archaea met celvolumes van 0,009 kubieke micron, die wel wat lijken op de nu beschreven bacteriën. Alles samen genomen belichten die drie studies het bestaan van kleine cellen met ongewone en nogal beperkte mogelijkheden op het gebied van stofwisseling, uit twee van de drie grote domeinen van het leven, namelijk het domein van de bacteriën en dat van de Archaea of oerbacteriën.

Uit deze foto blijkt dat de ultrakleine bacteriën een complexe celwand hebben en een compact binnenste. De donkere vlekken aan de uiteinden zijn waarschijnlijk ribosomen. Ook hier is de schaalstaaf 100 nanometer of 0,1 micrometer. (foto: Berkeley Lab)