Små bakterier i havet viktiga för vårt liv

Prochlorococcus-bakterier är så små att du skulle behöva rada upp runt tusen av dem för att matcha tjockleken på en mänsklig tumnagel. Havet sjuder av dem: Mikroberna är sannolikt den vanligaste fotosyntetiska organismen på planeten, och de skapar en betydande del – 10 procent till 20 procent – av atmosfärens syre. Det betyder att livet på jorden är beroende av de ungefär 3 oktiljoner (eller 3 × 10²⁷) små enskilda celler som sliter på.

Biologer trodde en gång i tiden att dessa organismer var isolerade vandrare på drift i en ofattbar vidd. Men Prochlorococcus-populationen kan vara mer sammankopplad än någon kunnat föreställa sig. De kan föra samtal över stora avstånd, inte bara fylla havet med höljen av information och näringsämnen, utan också koppla samman vad vi trodde var deras privata, inre utrymmen med andra cellers inre.

Vid universitetet i Córdoba i Spanien såg biologer för inte så länge sedan, när de tog bilder av cyanobakterierna i mikroskop, en cell som hade vuxit till ett långt, tunt rör och grep tag i sin granne. Bilden fick dem att sätta sig upp. Det gick upp för dem att detta inte var en tillfällighet.

– Vi insåg att cyanobakterierna var kopplade till varandra, säger María del Carmen Muñoz-Marín, mikrobiolog där. Det fanns kopplingar mellan Prochlorococcus-celler, och även med en annan bakterie, kallad Synechococcus, som ofta lever i närheten. I bilderna länkade silverglänsande broar samman tre, fyra och ibland 10 eller fler celler.

Muñoz-Marín hade en föraning om identiteten på dessa mystiska strukturer. Efter ett batteri av tester rapporterade hon och hennes kollegor nyligen att dessa broar är bakteriella nanorör. Bakteriella nanorör, som först observerades hos en vanlig labbbakterie för bara 14 år sedan, är strukturer gjorda av cellmembran som gör att näringsämnen och resurser kan flöda mellan två eller flera celler.

Strukturerna har varit en källa till fascination och kontrovers under det senaste decenniet, eftersom mikrobiologer har arbetat för att förstå vad som får dem att bildas och vad som exakt färdas bland dessa nätverksanslutna celler. Bilderna från Muñoz-Maríns laboratorium var första gången som dessa strukturer har setts i de cyanobakterier som står för en så stor del av jordens fotosyntes.

De utmanar grundläggande idéer om bakterier och väcker frågor som: Hur mycket delar Prochlorococcus med cellerna runt den? Och är det verkligen meningsfullt att tänka på den, och andra bakterier, som encelliga?

Helt rörformig

Många bakterier har ett aktivt socialt liv. Vissa gör pili, hårliknande utväxter av protein som kopplar samman två celler så att de kan utbyta DNA. Vissa bildar täta plack tillsammans, så kallade biofilmer. Och många avger små bubblor som kallas vesiklar som innehåller DNA, RNA eller andra kemikalier, som meddelanden i en flaska för vilken cell som helst som råkar fånga upp dem.

Det var vesiklar som Muñoz-Marín och hennes kollegor, inklusive José Manuel García-Fernández, mikrobiolog vid universitetet i Córdoba, och doktoranden Elisa Angulo-Cánovas, letade efter när de zoomade in på Prochlorococcus och Synechococcus i en maträtt. När de såg vad de misstänkte var nanorör blev det en överraskning.

Nanorör är ett nytt tillskott till forskarnas förståelse av bakteriell kommunikation. År 2011 publicerade Sigal Ben-Yehuda och hennes postdoktor Gyanendra Dubey vid Hebrew University of Jerusalem för första gången bilder på små broar, gjorda av membran, mellan bakterien Bacillus subtilis. Forskarna visade att gröna fluorescerande proteiner som producerades i en cell i nätverket snabbt trängde igenom de andra. De fann samma resultat med calcein, en liten molekyl som inte kan passera bakteriemembran på egen hand. Dessa celler existerade inte lugnt sida vid sida; Deras inre rum var sammanlänkade, mer som rum i ett hus än fristående bostäder.

Det var en häpnadsväckande uppenbarelse. Nyheten tvingade andra biologer att ompröva sina egna bilder av celler. Det stod snart klart att B. subtilis inte var den enda arten som producerade nanorör. I populationer av Escherichia coli och många andra bakterier upptäcktes små men konsekventa fraktioner av celler med nanorör. I experiment tittade forskarna på celler som spirade ut från rören och undersökte sedan vad de bar på. Över dessa broar från cell till cell rörde sig ämnen som aminosyror, de grundläggande byggstenarna i proteiner, samt enzymer och toxiner. Biologer tror nu att bakterier förmodligen har skapat dessa strukturer hela tiden. Forskare hade helt enkelt inte lagt märke till dem eller insett deras betydelse.

Det är inte alla som har tyckt att det är okomplicerat att få bakterier att tillverka nanorör. Noterbart är att en grupp vid den tjeckiska vetenskapsakademin bara kunde se nanorör när celler var döende. Deras förslag att rören är en ”manifestation av celldöd” kastade tvivel över om strukturerna verkligen var en viktig del av cellernas normala biologi. Sedan dess har dock ytterligare forskning noggrant dokumenterat att friska celler faktiskt växer i strukturerna. Allt detta tyder på att vissa villkor måste uppfyllas för att bakterier ska kunna ta detta steg. Men ”jag tror att de finns överallt”, säger Ben-Yehuda.

De senaste rönen är särskilt uppseendeväckande eftersom Prochlorococcus och Synechococcus inte är vanliga bakterier som lever i maträtten. De lever i en ovanligt turbulent miljö: det öppna havet, där vattenrörelser rimligen kan förväntas bryta sönder de ömtåliga rören. Dessutom är de fotosyntetiska, vilket innebär att de får det mesta av vad de behöver för att överleva från solen. Vilket behov kan de ha av att handla via rörnät? Det har gjorts en annan observation av nanorör i marina bakterier, men dessa mikrober är inte fotosyntetiska – de slukar näringsämnen från sin omedelbara miljö, en livsstil där det kan ha en mer uppenbar fördel att byta ämnen med grannar.

Så när Muñoz-Marín och Angulo-Cánovas såg sina nanorör var de till en början skeptiska. De ville försäkra sig om att de inte misstog någon slump i hur cellerna var förberedda eller hur bilderna hade tagits för en naturlig struktur.

”Vi ägnade mycket tid åt att se till att det vi hittade på bilderna faktiskt var något fysiologiskt och inte någon form av artefakt”, säger García-Fernández. ”Resultaten var så chockerande när det gäller marina cyanobakterier att vi å ena sidan blev förvånade och å andra sidan ville vara helt säkra.”

De placerade cellerna under fyra radikalt olika typer av avbildningsenheter – inte bara ett transmissionselektronmikroskop, som de hade använt när de först upptäckte strukturerna, utan också ett fluorescensmikroskop, ett svepelektronmikroskop och en avbildande flödescytometer, som avbildar levande celler när de susar förbi. De tittade på Prochlorococcus och Synechococcus på egen hand och på kulturer där de levde tillsammans. De tittade på döda celler och levande. De tittade till och med på färska prover av havsvatten som fiskats ut ur Cádizbukten. I alla proverna upptäckte de broar, som kopplade samman cirka 5 procent av cellerna. Nanorören verkade inte vara artefakter.

Därefter, för att se om länkarna i själva verket var nanorör, utförde de versioner av de nu kanoniska experimenten med grönt fluorescerande protein och calcein som beskrivits av Ben-Yehuda och Dubey. De nätverksanslutna cellerna lyste upp. Teamet bekräftade också att kopplingarna verkligen var gjorda av membranlipider och inte protein, vilket istället skulle föreslå pili. Till slut var de övertygade om att de tittade på bakteriella nanorör.

Dessa rör förbinder några av de vanligaste organismerna på planeten, insåg de. Och det gjorde genast något väldigt tydligt, något som forskarna fortfarande vänder och vrider på i huvudet.

”I början av det här århundradet, när man talade om fytoplankton i havet, tänkte man på oberoende celler som är isolerade”, säger García-Fernandez. ”Men nu – och inte bara utifrån de här resultaten, utan också från andra människor – tror jag att vi måste tänka på att de här killarna inte arbetar ensamma.”

Ett mobilt nätverk

Det kan finnas en god anledning till att cyanobakterierna, som flyter omkring i det stora havet, vill slå sig samman. De har märkligt små genom, säger Christian Kost, mikrobiell ekolog vid universitetet i Osnabrück i Tyskland, som inte var inblandad i studien. Prochlorococcus har det minsta genomet av alla kända frilevande fotosyntetiska celler, med endast cirka 1 700 gener. Synechococcus ligger inte långt efter.

Bland bakterier befriar små genom organismer från trycket att upprätthålla skrymmande DNA, men detta tillstånd kräver också att de rensar ut många grundläggande näringsämnen och metaboliter från sina grannar. Bakterier med strömlinjeformade genom bildar ibland samhällen som är beroende av varandra med organismer som producerar vad de behöver och behöver vad de producerar.

”Detta kan vara mycket effektivare än en bakterie som försöker producera alla metaboliter samtidigt”, säger Kost. ”Problemet när du lever i en vätska är: Hur utbyter du dessa metaboliter med andra bakterier?”

Nanorör kan vara en lösning. Näringsämnen som överförs på detta sätt kommer inte att svepas bort av strömmar, förloras för utspädning eller förbrukas av en snyltare. I datorsimuleringar har Kost och hans kollegor funnit att nanorör kan stödja utvecklingen av samarbete mellan grupper av bakterier.

Dessutom ”visar den här [nya] studien att denna överföring sker både inom och mellan arter”, säger han. ”Det här är superintressant.” I en tidigare artikel har han och hans kollegor också lagt märke till olika arter av bakterier som är sammankopplade med hjälp av nanorör.

Den här typen av samarbete är förmodligen vanligare än vad folk tror, säger Conrad Mullineaux, mikrobiolog vid Queen Mary University of London – även i miljöer som det öppna havet, där bakterier kanske inte alltid är tillräckligt nära för att bilda nanorör.

Vi talar ofta om bakterier som enkla och encelliga. Men bakteriekolonier, biofilmer och konsortier av olika mikroorganismer kan utföra komplicerade tekniska bedrifter och beteende tillsammans, ibland rivaliserande med vad flercelligt liv kan åstadkomma. ”Jag tycker om att försöka övertyga folk ibland, när jag känner mig nervös: Du är en biofilm och jag är en biofilm”, sa Mullineaux. Om havet är fullt av cyanobakterier som kommunicerar via nanorör och vesikel, så kanske detta utbyte av resurser kan påverka något så grundläggande som mängden syre i atmosfären eller mängden kol som binds i havet.

Kost, Ben-Yehuda och Mullineaux är överens om att den nya artikelns resultat är spännande. Författarna har gjort alla de rätta testerna för att säkerställa att strukturerna de ser i själva verket är nanorör, säger de. Men det behövs mer arbete för att förklara betydelsen av fyndet. En öppen fråga är exakt vad Prochlorococcus och Synechococcus delar med varandra i det vilda. Fotosyntesen gör att dessa bakterier kan hämta energi från solen, men de måste ta upp näringsämnen som kväve och fosfor från miljön. Tillsammans med Rachel Ann Foster vid Stockholms universitet, specialist på näringsflöden i havet, har forskarna nu gjort en serie experiment för att spåra dessa ämnen i sammankopplade celler.

En annan fråga är hur bakterier bildar dessa rör, och under vilka förhållanden. Rören är inte mycket längre än en enskild cell, och i synnerhet Prochlorococcus tros sprida sig ut i vattenpelaren. Muñoz-Marín och hennes team är nyfikna på vilka koncentrationer av bakterier som krävs för att ett nätverk ska bildas. – Hur ofta skulle det vara möjligt för dessa oberoende celler att komma tillräckligt nära varandra för att kunna utveckla de här nanorören? frågade García-Fernandez. Den aktuella studien visar att det faktiskt bildas nanorör bland vildfångade celler, men de exakta kraven är oklara.

När han ser tillbaka på vad man tänkte om bakteriell kommunikation när han började studera marina cyanobakterier för 25 år sedan, är García-Fernandez medveten om att fältet har genomgått en total förändring. Forskare trodde en gång i tiden att de såg otaliga individer som flöt bredvid varandra i ett enormt utrymme och tävlade med närliggande arter i en kapplöpning om resurser. ”Det faktum att det kan finnas fysisk kommunikation mellan olika typer av organismer – jag tror att det förändrar många, många tidigare idéer om hur cellerna fungerar i havet”, säger han. Det är en mycket mer sammankopplad värld än någon insett.