A Prochlorococcus baktériumok olyan aprók, hogy körülbelül ezret kellene belőlük felsorakoztatni, hogy egy emberi hüvelykujj körömvastagságát elérjük. Az óceán ugyanakkor valósággal hemzseg tőlük: a mikrobák valószínűleg a bolygó legnagyobb mennyiségben előforduló fotoszintetizáló élőlényei, amelyek a légkör oxigénjének tetemes részét – 10–20%-át – állítják elő. Ez azt jelenti, hogy a földi élet a nagyjából 3 oktillió apró, önállóan munkálkodó sejttől függ.

Az önállóság ugyanakkor relatív. A biológusok sokáig úgy gondoltak ezekre az mikrobákra, mint elszigetelt organizmusokra, amelyek egymástól függetlenül sodródnak az óceánvíz óriási tömegében. De a legfrissebb eredmények alapján úgy tűnik, hogy a Prochlorococcus-populáció szorosabban kapcsolódik egymáshoz, mint azt bárki is gondolta volna.

A Córdobai Egyetemen cianobaktériumokat mikroszkóppal vizsgáló biológusok ugyanis nemrégiben egy olyan sejtet figyeltek meg, amely hosszú, vékony csövet növesztett, amivel megragadta a szomszédját. És nagyon hamar ráébredtek, hogy ez nem is ritka jelenség.

„Rájöttünk, hogy a cianobaktériumok kapcsolatban állnak egymással” – mondja María del Carmen Muñoz-Marín mikrobiológus. A Prochlorococcus sejtek között is hasonló kapcsolatokat detektáltak, és egy másik baktériumhoz (Synechococcus) is vezettek csövek, amely gyakran él a Prochlorococcus közelében. A mikroszkópos felvételeken ezüstös hidak kötötték össze a három, négy, néha pedig 10-nél több sejtből álló csoportok tagjait.

Muñoz-Marínnak érdekes sejtése támadt a titokzatos struktúrákat illetően, és egy sor vizsgálat után kollégáival nemrég arról számoltak be, hogy ezek a hidak bakteriális nanocsövek. Bakteriális nanocsöveket először 14 évvel ezelőtt figyeltek meg közönséges laboratóriumi baktériumoknál: ezek olyan, sejtmembránból álló struktúrák, amelyek lehetővé teszik a tápanyagok és erőforrások közvetítését két vagy több sejt között.

A struktúrák az elmúlt évtizedben parázs és gyakran ellentmondásos viták forrásai voltak, és számos mikrobiológus kezdett azon dolgozni, hogy megértsék, mi okozza a kialakulásukat, és pontosan mi áramlik a hálózatok sejtjei között. A Muñoz-Marín laboratóriumából származó felvételek ugyanakkor az elsők, amelyeken ezeket a struktúrákat a Föld fotoszintézisének egy jelentős részéért részéért felelős cianobaktériumok között is megfigyelték.

A felvételek megkérdőjelezik a baktériumokról alkotott legalapvetőbb elképzeléseket, és olyan kérdéseket vetnek fel, mint hogy például a Prochlorococcus mennyire osztozik az erőforrásokon a körülötte lévő sejtekkel. És hogy vajon célszerű-e egysejtűként tekinteni az ilyen baktériumokra.

Csövecskék mindenütt

Számos baktérium van persze, amelyről már régóta tudják, hogy aktív „szociális” életet él. Egyesek pilusokat, szőrszerű fehérjefüggelékeket növesztenek, amelyek összeköthetnek két sejtet, hogy lehetővé tegyék számukra a DNS cseréjét. Mások sűrű plakkokat, úgynevezett biofilmeket alkotnak. Sokan pedig apró buborékokat, úgynevezett vezikulákat bocsátanak ki, amelyek DNS-t, RNS-t vagy más vegyi anyagokat tartalmaznak, palackba zárt üzeneteket azon sejtek számára, amelyek véletlenül elkapják őket.

Muñoz-Marín és kollégái, köztük José Manuel García-Fernández, a Córdobai Egyetem mikrobiológusa és Elisa Angulo-Cánovas végzős hallgató a Prochlorococcus és Synechococcus sejteket egy tálban vizsgálva szintén vezikulákat kerestek kezdetben. ennek során fedezték fel a nanocsöveket, legnagyobb meglepetésükre.

A nanocsövekről Sigal Ben-Yehuda és Gyanendra Dubey, a Jeruzsálemi Héber Egyetem kutatói publikáltak elsőként 2011-ben, amikor a Bacillus subtilis baktériumok közötti apró, membránból álló hidakat fedeztek fel. Ezek a csövek aktívan anyagot szállítottak: a kutatók kimutatták, hogy a hálózat egyik sejtjében előállított zöld fluoreszcens fehérjék gyorsan átszivárogtak a többi sejtbe. Ugyanezt az eredményt találták a kalceinnel is, egy olyan apró molekulával, amely önmagában nem képes átjutni a baktériumok membránján.

A felfedezés megdöbbentő volt. A hír arra késztetett más biológusokat is, hogy felülvizsgálják a sejtekről alkotott képüket. Hamarosan világossá vált, hogy nem a B. subtilis az egyetlen faj, amely nanocsöveket termel. Az Escherichia coli és számos más baktérium populációiban a sejtek kis, de állandóan nanocsöveket termelő frakciói voltak megfigyelhetők. Ezeken a hidakon keresztül sejtről sejtre aminosavak, a fehérjék alapvető építőkövei, valamint enzimek és toxinok áramlottak. A biológusok most már úgy gondolják, hogy a baktériumok mindig is rendelkeztek ilyen kapcsolatokkal, csak korábban egyszerűen nem vették észre őket, vagy nem ismerték fel jelentőségüket.

A nanocsövek észlelése azonban azután sem tűnt egyszerűnek, amikor a kutatók már tudták, mit keresnek, azok ugyanis nem minden helyzetben tűntek fel. A Cseh Tudományos Akadémia egyik kutatócsoportja például csak akkor látott nanocsöveket, amikor a sejtek haldokoltak. Amiből arra következtettek, hogy a csövek a „sejthalál velejárói”, kétségbe vonva, hogy a struktúrák valóban fontos részét képezik a sejtek normális biológiájának. Azóta azonban további munkákban sikerült dokumentálni, hogy az egészséges sejtek is növesztik ezeket a struktúrákat. Mindez arra utal, hogy bizonyos feltételeknek ugyan teljesülniük kell ahhoz, hogy a baktériumok nanocsöveket hozzanak létre, de ezen struktúrák nagyon széles körben elterjedtek, mondja Ben-Yehuda.

A legújabb eredmények azért különösen fontosak, mert a Prochlorococcus és a Synechococcus nem átlagos baktériumok. Rendkívül turbulens környezetben élnek: a nyílt óceánban, ahol a vízmozgástól azt várnánk, hogy a csövek eltörnek vagy létre sem jönnek. Ráadásul fotoszintetizálnak, ami azt jelenti, hogy a túléléshez szükséges energia nagy részét a napból nyerik. Mi szükségük lehet így a csöveken keresztüli transzferekre? Egy másik esetben tengeri baktériumoknál is megfigyeltek nanocsöveket, de ezek a mikrobák nem fotoszintetizálnak, hanem a közvetlen környezetükből nyelik el a tápanyagokat. Ilyen életmód mellett sokkal nyilvánvalóbb előnyökkel járhat az anyagok cserélgetése a szomszédokkal.

Így amikor Muñoz-Marín és Angulo-Cánovas először meglátta a nanocsöveket, kezdetben maguk is szkeptikusak voltak. Meg akartak győződni arról, hogy nem a sejtek preparálásának vagy a felvételek készítésének valamilyen melléktermékét látják, hanem tényleg természetes struktúrákat. A sejteket ennek érdekében négy alapvetően különböző képalkotó eszközzel is megvizsgálták: transzmissziós elektronmikroszkóppal, fluoreszcens mikroszkóppal, pásztázó elektronmikroszkóppal és áramlási citométerrel egyaránt. A Prochlorococcus és a Synechococcus képviselőit sejtenként és csoportokban is tanulmányozták, élő és halott állapotban egyaránt. Végül a cádizi öbölből vett friss tengervízmintákat is vizsgáltak.

Ezután, hogy meggyőződjenek arról, hogy a hidak valóban nanocsövek-e, elvégezték a Ben-Yehuda és Dubey által leírt, zöld fluoreszcens fehérjével és kalceinnel végzett kísérleteket. A hálózatot alkotó sejtek pedig világítani kezdtek. A csapat azt is megerősítette, hogy a kapcsolatokat alkotó csövek valóban membránlipidekből és nem fehérjékből állnak, ami inkább pilusokra utalna. Így világossá vált, hogy a bolygó legelterjedtebb élőlényei rendkívül összetett hálózatokat alkotnak.

Hálózatok hatalmában

Az óceán hatalmas víztömegében úszó cianobaktériumoknak számos okuk lehet az együttműködésre. Ahogy Christian Kost, az Osnabrücki Egyetem mikrobiális ökológusa mondja, ennek egyik tényezője, hogy furcsán kicsi a genomjuk. A Prochlorococcusnak van a legkisebb genomja az ismert szabadon élő fotoszintetizáló sejtek közül, mindössze mintegy 1700 génnel. A Synechococcus azonban nem sokkal marad le mögötte.

A baktériumok körében a kis genomok célja, hogy megszabadítsák a szervezeteket a terjedelmes DNS fenntartásának terhétől, de ez az állapot azt is megköveteli, hogy sok alapvető tápanyagot és anyagcsereterméket a szomszédaiktól zsákmányoljanak. A minimalizált genommal rendelkező baktériumok néha egymástól függő közösségeket alkotnak olyan szervezetekkel, amelyek megtermelik, amire nekik szükségük van, és szükségük arra van, amit ők termelnek.

„Ez sokkal hatékonyabb, mint egy olyan baktérium, amely maga próbál mindent előállítani és beszerezni” – mondja Kost. „De problematikus a folyékony közegben: hogyan cserélhetik ki az anyagcseretermékeket más baktériumokkal?” A nanocsövek megoldást jelenthetnek.

Számítógépes szimulációkban Kost és kollégái úgy találták, hogy a nanocsövek támogathatják a baktériumcsoportok közötti együttműködés fenntartását.

Ami még érdekesebb, az új kutatás azt mutatja, hogy ez az átvitel a fajokon belül és a fajok között is megtörténhet, folytatja Kost, ami rendkívül érdekes. Egy korábbi vizsgálatban kollégáival azt szintén észrevették, hogy a különböző baktériumfajok nanocsövek révén kapcsolódnak egymáshoz.

Conrad Mullineaux, a londoni Queen Mary Egyetem mikrobiológusa szerint ez a fajta együttműködés valószínűleg gyakoribb, mint gondolnánk – még olyan környezetben is, mint a nyílt óceán, ahol a baktériumok nem mindig vannak elég közel egymáshoz ahhoz, hogy közvetlen nanocsöveket építsenek ki egymás közt. A tenger szerinte tele lehet cianobaktériumokkal, amelyek nanocsövek és vezikulák segítségével kommunikálnak egymással, és ez az erőforráscsere olyan alapvető dolgokra is hatással lehet, mint a légkör oxigénmennyisége vagy az óceánban megkötött szén mennyisége.

Kost, Ben-Yehuda és Mullineaux egyetértenek abban, hogy az új kutatás eredményei nagyon izgalmasak. A szerzők minden megfelelő vizsgálatot elvégeztek, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy az általuk látott struktúrák valóban nanocsövek. De további munkára lesz szükség ahhoz, hogy megmagyarázzák a felfedezés jelentőségét. Különösen fontos kérdés lehet, hogy pontosan mi az, amit a Prochlorococcus és a Synechococcus a természetben megosztanak egymással. A fotoszintézis lehetővé teszi, hogy ezek a baktériumok energiát nyerjenek a napfényből, de a környezetből is tápanyagokat, például nitrogént és foszfort kell felvenniük.

További kérdés, hogy a baktériumok hogyan és milyen körülmények között hozzák létre ezeket a csöveket. A csövek nem sokkal hosszabbak, mint egy-egy sejt, így Muñoz-Marín és csapata többek közt arra kíváncsi, hogy milyen baktériumkoncentráció szükséges a hálózat kialakulásához.

A tudományterület óriási változásokon ment át azóta, hogy García-Fernandez 25 évvel ezelőtt elkezdte tanulmányozni a tengeri cianobaktériumokat és azok kommunikációját. A kutatók egykor azt hitték, hogy mikrobák egymás mellett lebegnek ebben a hatalmas térben, és szomszédos fajokkal versengenek az erőforrásokért. „Az a tény, hogy a különböző típusú organizmusok között fizikai kommunikáció is létezhet, rengeteg korábbi elképzelést megváltoztat arról, hogyan viselkednek a sejtek az óceánban” – mondja.