Bakteriernas sju trumfkort

###1 De finns i alla storlekar

Alla vet att bakterier är mycket små. Alldeles för små för att man ska kunna se dem med blotta ögat. Förklaringen är enkel. Till skillnad från de komplexa celler som bygger upp växter och djur – som har avancerade transportsystem för att flytta viktiga molekyler i sitt inre – måste bakterierna främst förlita sig på diffusion för att molekylerna ska hamna på rätt plats. Och diffusion, det vill säga att molekylerna flyter omkring spontant, är bara effektivt på avstånd upp till några mikrometer. Detta sätter en tydlig övre gräns för bakteriernas storlek.

Ändå finns det ett tiotal arter som blir betydligt större än de borde kunna vara. Minst tre går faktiskt att se utan mikroskop. Den första av dessa jättebakterier upptäcktes 1985. Men man insåg inte att det rörde sig om en bakterie förrän åtta år senare, just på grund av storleken. Denna stavformade bakterie, Epulopiscium fishelsoni, lever i tarmen hos Röda havets kirurgfiskar och kan bli upp till 0,7 millimeter lång, det vill säga flera hundra gånger större än E. coli-bakterierna i våra tarmar, som inte är längre än cirka 0,002 millimeter.

E. fishelsoni klarar att överskrida bakteriernas teoretiska storleksgräns genom att ha upp till flera hundra kopior av sitt dna. Det innebär att den kan tillverka proteiner på många olika ställen i varje cell. Därför behöver proteinerna inte kunna diffundera särskilt långt för att komma till de platser i cellen där de behövs. Beräkningar visar att förhållandet mellan varje enskild dna-molekyl och bakteriens volym faktiskt är detsamma för E. fishelsoni som för en normalstor bakterie.

E. fishelsoni behöll sin plats som världens största bakterie fram till 1997, då den fick lämna över titeln till Thiomargarita namibiensis som kan bli hela 0,75 millimeter lång. Denna bjässe innehåller skimrande svavelkorn, vilket har gett arten dess latinska namn som kan översättas med ”den namibiska svavelpärlan”. Liksom E. fishelsoni har den många – flera tusen – kopior av dna-molekylen i varje cell för att lösa sina inre transportproblem. T. namibiensis volym är ungefär 100 gånger större än E. fishelsonis, men det mesta av utrymmet används för lagring. Närmare 98 procent av cellens volym upptas av en enorm vakuol, en membranomsluten påse, som innehåller upp till tre månaders förbrukning av nitrat. Detta används för att oxidera den vätesulfid ur vilken T. namibiensis utvinner sin energi. Bakterien måste lagra nitrat eftersom tillgången på havsbotten är ojämn – tillförseln kommer från döda organismer som sjunker till botten.

En nästan identisk svavelbakterie, som också är synlig för blotta ögat med sin diameter på 0,5 millimeter, upptäcktes i Mexiko 2002. Troligen finns det ännu fler jättebakterier som inte har upptäckts ännu.

###2 De har skelett

Cellerna i vår kropp omsluts av ett mjukt membran, men kan ändå anta alla möjliga bestämda former. Hemligheten är det så kallade cytoskelettet, som fungerar som en byggnadsställning. Skelettet anpassas kontinuerligt genom att segment läggs till eller tas bort. Det bevarar cellens form, och fungerar dessutom som en transportmekanism som flyttar molekyler till rätt plats inuti cellen, till exempel när den ska dela sig.

Bakterierna har i stället en tjock och styv cellvägg, och man trodde därför länge att de inte behövde någon sinnrik inre struktur. Men de senaste årens forskning har visat att många bakterier och arkéer (som tidigare kallades arkebakterier och liksom bakterier saknar cellkärna) faktiskt också kan bilda ett cytoskelett, men av andra slags proteiner. Hos vissa bakterier fyller detta skelett ungefär samma funktioner som hos komplexa celler. Till exempel ger det bakteriearter som E. coli deras typiska stavform. Cytoskelettet används också till att förankra de svansliknande flageller som vissa bakterier använder sig av för att förflytta sig. Och hos magnetotaktiska bakterier, som kan känna av magnetfält, är det cytoskelettets proteiner som håller de magnetiska partiklarna inne i bakteriecellerna på plats, så att hela cellen kan fungera som en levande kompassnål.

###3 De har rum

Enligt läroböckerna är det bara eukaryota celler som har inre rum, så kallade organeller med specifika funktioner – ungefär som organen i vår kropp. Men också här växer en ny bild fram.

Hos en fjärdedel av de bakterier som har fått hela sin arvsmassa kartlagd har man hittat gener som kan ge upphov till ett slags inre utrymmen. I dessa rum snabbas kemiska reaktioner på genom att de reagerande ämnena koncentreras, samtidigt som resten av cellen skyddas från giftiga biprodukter. Sådana ”bakterieorganeller” upptäcktes första gången hos cyanobakterier. De kallas karboxysomer och gör cyanobakteriernas fotosyntes effektivare.

Hos andra bakterier fungerar rummen som lager. I flera svavelätande bakterier, bland andra Thiomargarita namibiensis, utgörs utrymmena av vakuoler, de bubblor där de förvarar till exempel nitrat. Och många fotosyntetiserande bakterier och arkéer har små bubblor i sitt inre som ger dem flytkraft, så kallade gasvesikler.

###4 De samarbetar

Det är känt sedan länge att bakterier kan signalera till varandra genom att släppa ut kemikalier. På så vis kan de bland annat känna av hur många av den egna arten som finns i närheten och utlösa en kollektiv reaktion när antalet överskrider en viss gräns – en strategi som kallas kvorumreglering.

Vissa självlysande marina bakterier använder kvorumreglering för att avgöra när de ska börja tillverka sina ljusalstrande kemiska ämnen. Det kan till exempel ske när bakterierna är tillräckligt många för att de tillsammans ska kunna lysa tillräckligt starkt. Så uppför sig bland annat Photobacterium fischeri. Den lever inuti vissa självlysande fiskar och bläckfiskar, som är dess värddjur.

Ett kanske ännu tydligare exempel på samarbete ser man hos slembakterien Myxococcus xanthus. Den jagar i flock genom att simma tillsammans i stora kolonier fram och tillbaka över sitt byte och utsöndra enzymer som bryter ner det. Gemensamt kan bakterierna övermanna mycket större byten än de skulle klara en och en.

Till och med bakterier av olika arter tycks kunna ha ett nära samarbete. Nyligen gjordes försök med två arter av Geobacter som fick växa i ett medium med etanol och natriumfumarat. Den ena arten, G. metallireducens, kan bryta ner etanol. Men i det medium som användes hade den ingen möjlighet att göra sig av med de överskottselektroner som bildas vid nedbrytningen. Den andra arten, G. sulfurreducens, kan däremot överföra elektroner till natriumfumarat, men inte bryta ner etanol. I teorin skulle ingen av arterna ha kunnat överleva i mediet. Ändå växte de utan problem. De visade sig ha bildat ett elektronledande nät i form av nanoledningar, som gjorde att de kunde kombinera sina egenskaper. Vissa biologer tror att sådana bakterienätverk är vanliga i jord och havsbottnar.

###5 De är flercelliga – nästan

I vissa fall kan man börja fundera över om bakterier verkligen ska kallas för encelliga. Ta till exempel så kallade glidande bakterier, som förflyttar sig genom att bland annat slira på ett lager av slem. När det är ont om näring kan de slå sig samman i sporbildande fruktkroppar. Fruktkropparnas höjd ger bakterierna bättre möjligheter att sprida sig till nya, gynnsamma levnadsmiljöer än om de skulle försöka sprida sina sporer var för sig. Hos vissa arter är fruktkropparna enkla cellsamlingar där alla celler omvandlas till sporer. Men andra, till exempel Stigmatella aurantiaca, slår ihop sig till komplexa, förgrenade strukturer där bara några av bakterierna bildar sporer medan de andra utgör en stödstruktur.

Vissa biologer kallar detta för ett flercelligt beteende, till skillnad från egentlig flercellighet, eftersom cellerna sedan kan återgå till sin normala form och själva tillväxten sker när de är skilda från varandra. Men cyanobakterierna i släktena Anabaena och Nostoc uppfyller faktiskt alla kriterier för flercellighet. De växer i långa trådar, så kallade filament. När det är ont om kväve i organiskt tillgänglig form specialiserar sig ungefär var tionde bakterie i filamenten på att utvinna kväve direkt från vattnet eller luften, så kallad kvävefixering. När en cell har övergått från att vara en normal bakteriecell till en kvävefixerande cell finns det ingen återvändo. De kvävefixerande cellerna blir helt beroende av övriga celler för sin energiförsörjning, medan dessa i sin tur får sitt behov av kväve tillgodosett från de kvävefixerande cellerna.

Tidigare trodde man att sådana exempel var undantag. Men det har visat sig att flercelligt beteende är utbrett. Exempelvis är så kallade biofilmer – sådana hinnor som man kan upptäcka om man till exempel vågar rensa diskbänkens avloppsrör – inte bara enkla lager av celler, utan tydligt organiserade strukturer där de bakterier som ingår har olika roller för att tillsammans kunna skydda sig.

Den mest överraskande upptäckten är kanske att många bakterieceller begår självmord. Hos växter och djur är sådan programmerad celldöd, apoptos, livsnödvändig. Det är till exempel denna mekanism som skiljer fostrets fingrar åt medan det utvecklas i livmodern. Och virusinfekterade celler begår självmord för att hindra viruset från att föröka sig. Hos bakterier tycks programmerad celldöd fylla liknande funktioner. Den hjälper till att bygga upp strukturen hos vissa fruktkroppar och biofilmer, och förhindrar också virusspridning. Bakterier kan med andra ord offra sig för det gemensamma bästa.

###6 De har en kärna

En bakterie är en så kallad prokaryot organism, vilket definieras som en enkel cell där dna flyter fritt i cellens inre i stället för att vara förpackat i en cellkärna. Ordet prokaryot kan översättas med ”före kärna”.

Men 1991 lade John Fuerst och Richard Webb vid University of Queensland i Australien märke till en egendomlig egenskap hos Gemmata obscuriglobus, en bakterie som beskrevs första gången 1984. Bilder tagna med elektronmikroskop visade att bakteriecellernas dna var skilt från resten av cellen och att det dessutom var inneslutet i ett dubbelt membran, ungefär som kärnan i mer komplexa eukaryota celler, som har kärna.

Plötsligt uppstod frågan om G. obscuriglobus och de övriga medlemmarna i gruppen Planctomycetes inte längre skulle klassas som prokaryoter. Men kärnan i G. obscuriglobus är inte lika komplex som hos eukaryoter, och genetiskt liknar den andra bakterier. Många biologer ansåg därför att ”kärnan” skulle betraktas som en kuriositet utan samband med komplexa celler – ända tills det visade sig att bakterien hade ytterligare en oväntad egenskap …

###7 De kan svälja

Komplexa celler som amöbor och vita blodkroppar kan ”svälja” stora partiklar genom att kapsla in dem i ett slags membranbubbla som sedan snörs av och förs vidare in i cellens inre. Processen kallas endocytos. Bakterier, å andra sidan, kan bara fånga in partiklar via kanaler i sina cellmembran – som endast rymmer mycket små partiklar. Så trodde man i alla fall tidigare. Men förra året visade en forskargrupp under ledning av John Fuerst att bakterien G. obscuriglobus (se punkt 6) kan svälja betydligt större partiklar tack vare en mekanism som liknar endocytos.

Det gav nytt bränsle åt diskussionen om hur G. obscuriglobus ska klassificeras. Att råka ha en enda egenskap gemensam med eukaryota celler – membranförpackat dna i något som liknar en cellkärna – skulle kunna vara en tillfällighet. Men två egenskaper tyder sannolikt på något mer. Dessutom har de flesta av medlemmarna i den större grupp till vilken G. obscuriglobus hör, PVC-gruppen (Planctomycetes-Verrucomicrobia-Chlamydiae), proteiner som i hög grad liknar dem som reglerar endocytosen hos eukaryoter. Den stora frågan är nu om det rör sig om parallell evolution, eller om komplexa celler och bakterier har en gemensam moderorganism.

Om det visar sig att de har ett gemensamt ursprung, kommer det att få en enorm betydelse. Det skulle innebära att vår närmaste gemensamma moderorganism (LUCA, last universal common ancestor) och organismer samtida med den måste ha varit mycket mer komplexa än man tidigare har trott. Eftersom PVC-bakteriernas förmåga att bilda membran runt sin kärna involverar många av de proteiner som deltar i endocytosen, är det till och med möjligt att även LUCA hade en membraninnesluten kärna. Det skulle helt kullkasta vår bild av hur livet på jorden har utvecklats. I så fall är moderna bakterier inte några primitiva celler, utan i stället ättlingar till betydligt mer komplexa moderorganismer som genom evolutionens gång har blivit av med onödiga egenskaper.

Då är de inte prokaryoter – utan snarare postkaryoter.

*Caroline Williams är frilansskribent med inriktning på vetenskap. Hon har sin bas i Surrey i Storbritannien. Översättning från engelska: Exacta översättningar AB © 2011 Reed business information – Storbritannien. Alla rättigheter förbehållna.*