SAR11 – vládce sedmi moří

Těžko říci, jak vznikl literární obrat sedm moří. Moří je na světě několik desítek, a sedm proto nepůsobí nijak velkolepě. Za spojením cítíme spíše sedm oceánů, ovšem obvyklá klasifikace rozlišuje pouze čtyři: Tichý, Atlantský, Indický a Severní ledový.

Nevíme tedy, jak je to s těmi sedmi moři, avšak kdo je jejich vládcem, se od konce minulého roku zdá být téměř jisté. Nebudeme tu mluvit o velrybách. Náš vládce nekraluje pro svou hmotnost, ale díky svému množství. Jde o mikroskopické heterotrofní bakterie, které donedávna unikaly lidské pozornosti. Není se čemu divit. Svými malými rozměry jsou téměř „neviditelné“ v běžném optickém mikroskopu, a navíc mají vrozenou nechuť k životu v laboratoři.

Klasická mikrobiologie vznikla koncem 19. století a klíčovým mezníkem byla kultivace mikroorganizmů na pevných půdách zavedená v laboratoři profesora Kocha. Užití agarových půd umožnilo pohodlně získávat čisté izoláty ve formě kolonie vypěstované z jedné buňky. (S využitím agaru pro mikrobiologii přišel Kochův asistent Walter Hesse, který si jej povšiml v kuchyni své manželky připravující ovocné želé.) Práce s čistými kulturami byla přelomem v mikrobiologii a nutným předpokladem k získání důvěryhodných a ověřitelných výsledků. Takto „ochočitelných“ bakterií je v přírodě pochopitelně pouze malá část a v různých prostředích se velmi často setkáváme s organizmy, které se pěstování v laboratoři brání. V tomto ohledu patří mořské mikroorganizmy k zvláště nepoddajným. Kmenů ochotných ke kultivaci na pevných půdách je zde pouze mizivý zlomek. Z tisíce bakteriálních buněk se obvykle podaří vypěstovat jednu kolonii a takto získané výsledky mohou být stěží považovány za reprezentativní.

Cestou z této slepé uličky bylo až zavedení molekulárních metod do mořské mikrobiologie koncem osmdesátých let minulého století. Molekulární biolog při nich pracuje s veškerou DNA přítomnou ve vodním vzorku, a není tedy závislý na ochotě jednotlivých organizmů ke spolupráci. Tato směsná DNA v sobě v zásadě nese veškerou informaci o mikrobiální komunitě a je jen na člověku, zda ji dokáže přečíst. Ke klasifikaci mikroorganizmů se již od konce osmdesátých let používá sekvence rRNA kódující ribozomální podjednotku 16S. Tento gen je přítomen ve všech bakteriích a vyznačuje se velmi pomalým tempem evoluce. Proto je velmi vhodný ke klasifikaci a identifikaci jednotlivých bakteriálních kmenů. Výzkumníci používají následující postup. Nejprve namnoží a izolují všechny geny 16S rRNA, a poté z nich sestaví klonovou knihovnu – jakýsi katalog všech genů přítomných v původním vzorku. První takové knihovny genů přirozených mořských populací otevřely před vědci nový svět. Svědčily totiž o přítomnosti dosud neznámých organizmů. Nejnápadnějším rysem byl přibližně třicetiprocentní podíl celé dosud nepopsané skupiny mikroorganizmů geneticky náležející mezi alfa-proteobakterie. Vzorek DNA pocházel ze Sargasového moře a jednotlivé klony byly rozlišeny pořadovými čísly. Proto dostala tato skupina označení SAR11.

Se zvyšujícím se množstvím studovaných lokalit začalo být zřejmé, že skupina SAR11 je skutečně kosmopolitní. Její přítomnost byla potvrzena v mořských vzorcích z celého světa, všude tvoří významnou část přítomných genů. Otázkou zůstávalo, jakou část bakteriální komunity SAR11 skutečně představuje. Odpověď na tuto otázku přinesla technika epifluorescenční mikroskopie ve spojení s genetickými fluorescenčně značenými sondami (FISH). Tyto sondy jsou zacíleny na specifickou sekvenci v genu 16S rRNA a umožňují označkování jednotlivých bakteriálních buněk na základě jejich genetické příslušnosti. Použití epifluorescenční mikroskopie potvrdilo, že buňky náležející do skupiny SAR11 tvoří přibližně třetinu mořské bakteriální komunity v povrchové vrstvě oceánu. Mořská voda zde obsahuje průměrně miliardu bakterií na litr, z toho SAR11 tvoří kolem 300 milionů. Lepší představu o množství SAR11 podává odhad, že celková hmotnost všech těchto bakterií je srovnatelná s hmotností všech mořských ryb.

Přes všechny výhody těchto moderních technik je množství poznatků, které můžeme získat z nekultivovaného materiálu, omezené, a proto bylo nutno získat SAR11 v čisté kultuře. Bylo zřejmé, že kultivace na pevných půdách je nepoužitelná, a proto tým Stephena Giovannoniho z Oregonské univerzity zvolil velmi jednoduchou techniku, která se používala ještě předtím, než se kultivace na pevných půdách zavedly. Tou metodou je postupné ředění. Vzorek bakteriální populace dělíme a ředíme sterilním médiem tak dlouho, až získáme zkumavku s jedinou buňkou. Pokud se nám ji poté podaří přesvědčit, aby rostla, získáme čistý izolát. Tato „homeopatická“ metoda je velmi pracná a jejím výsledkem bývá obvykle jen několik málo dominantních bakterií. V praxi se proto příliš nepoužívá.

Giovannonimu bylo jasné, že při honu na SAR11 je třeba využít moderní techniku. Pro manipulaci se vzorky a jejich ředění použil automatizovaný systém, který využívá tečkovací destičky, a přítomnost bakterií zjišťoval laserový paprsek. K ředění se používala pouze velmi čistá přírodní mořská voda, aby se zabránilo možným toxickým účinkům chemikálií. Staronový přístup nakonec přinesl ovoce. Podařilo se izolovat a namnožit několik bakteriálních linií patřících ke skupině SAR11. Rychlost růstu SAR11 je na první pohled velmi pomalá – buňky se rozdělí jednou za 26 hodin (E. coli se může dělit každých 20 minut). V oceánu, kde je život striktně omezen dostupností zdrojů, to však plně stačí. Mořská bakteriální komunita roste rychlostí průměrně jedno dělení za tři dny. Nejde tedy o žádné sprintéry, spíše o běžce na dlouhé trati schopné maximálně šetřit silami.

Vše nasvědčuje tomu, že SAR11 patří mezi aerobní heterotrofy – energii a uhlík získávají z již existující organické hmoty, kterou pro ně vytvořily fotosyntetické organizmy. Zarážející je, že studované izoláty vůbec nereagovaly na přídavky živin a udržovaly si stejné tempo růstu, jaké měly ve filtrované mořské vodě. Přídavek zředěného bílkovinného hydrolyzátu naopak zcela zastavil růst. Zajímavá je také velikost buněk SAR11. Při průměrných rozměrech 0,2 × 0,4