Гигантские бактерии нарушили законы природы

Биологи из Калифорнийского технологического института выяснили, каких минимальных и максимальных размеров могут достигать бактерии. Верхний предел ученые назвали рибосомной катастрофой, поскольку слишком большие клетки нуждаются в невероятном количестве РНК и рибосом, однако некоторые бактерии его смогли преодолеть. Результаты исследования опубликованы в The ISME Journal.

Размер различных бактерий может варьироваться в пределах нескольких порядков, от 0,1 микрометров у Mycoplasma mycoides, что сравнимо с некоторыми крупными вирусами, до 750 микрометров у Thiomargarita namibiensis. Объем бактерий возрастает пропорционально кубу ее линейных размеров, а это означает более активный обмен веществ, что дает крупным микробам преимущество в скорости роста и размножении. Однако существуют пределы размеров, преодолеть которые бактериальные клетки не смогли.

Ученые создали компьютерную модель, которая помогает предсказать, как изменяется метаболизм и состав клетки с увеличением ее размеров. Для этого биологи оценили, сколько внутриклеточного пространства требуется для функционирования всех важных компонентов: ДНК, РНК, белков и рибосом. По подсчетам исследователей бактерия с объемом клетки меньше 10^-21 метров в кубе не сможет существовать, поскольку в ней не поместятся такие биополимеры, как ДНК и белки. Минимальный размер также ограничивают клеточные оболочки.

Теоретический объем лишь на три порядка отличается от размеров наименьших из известных бактерий. Что касается максимального предела, то чем больше бактерия, тем больше для нее требуется клеточных компонентов, которые необходимы для процессов транскрипции генов и синтеза белка, а также поддержания быстрого роста и деления. В конце концов, это приводит к так называемой рибосомной катастрофе, когда конечные размеры клетки требуют бесконечных количеств рибосом, транспортной РНК и информационной РНК. По оценкам ученых, это происходит при объеме в 10^-15 метров в кубе.

Интересно, что Thiomargarita namibiensis намного превышает этот верхний предел. Даже если удалить из нее довольно большую вакуоль, ее размер все равно будет больше границы рибосомной катастрофы на порядок. Ученые считают, что этому способствуют условия среды, которые благоволят медленному развитию и росту бактерий.