他们说大小不重要，但你试试跟细菌这么说。大多数细菌都很小，因为它们严重依赖被动扩散来跨膜运输重要的营养物质和分子。为了确保这一切发生得足够快，细菌需要确保它们的表面积相对于它们的体积足够大——如果变得太大了，它们将无法吸收足够的营养来支撑其更大的体积。
这些限制极大地限制了细菌的大小。较大的细菌通过变得非常长而细，或者通过使用称为液泡的内部隔室将它们的内部推向外缘来解决这个问题。但即使是这些解决方案也有其局限性，简单的事实是，大多数细菌细胞都远远小于更复杂的真核生物——包括所有已知的动物、植物和真菌。
但是有一类细菌——Epulopiscium sp.——却打破了这个规则。它开发了一种遗传技巧，使其能够生长到（相对而言）巨大的尺寸。而像大肠杆菌这样的典型细菌只有 2 微米长，而Epulopiscium可以长到 300 微米。这比句末的句号小不了多少，绝对可以与大多数真核细胞相媲美。而它体型庞大的秘密是什么？DNA，而且是大量的 DNA。
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康奈尔大学的Jennifer Mendell在 1993 年首次将其确认为细菌的Esther Angert的实验室里研究了Epulopiscium。Angert 的实验室曾表明，这种巨大的细菌含有大量浓缩在其膜附近的 DNA，而 Mendell 想弄清楚到底有多少。
但做到这一点并不容易。在选择居住地方面，Epulopiscium重新定义了“挑剔”一词，因为它只生活在刺尾鱼的肠道中。不同的物种寄生在不同的鱼类身上，Mendell 与一种只生活在鳞鼻角鱼肠道中的物种合作。虽然大多数微生物学家都可以培养他们的研究对象，但 Mendell 必须通过在大堡礁用鱼叉捕鱼来收集她的样本，并利用这些样本，她测量了超过 10,000 个Epulopiscium细胞中的 DNA 含量。
大多数细菌通过分裂成两部分或通过出芽产生子代进行繁殖，但Epulopiscium的繁殖方式很像活产。它在体内孕育两个子代，直到它们完全填满母细胞并从中破裂而出。这些较大、成熟的细胞含有约 250 皮克的 DNA，而较小、未成熟的细胞含有约 85 皮克的 DNA。这仍然是一个巨大的数量——一个典型的人类细胞仅含有约 6 皮克的 DNA。
所有这些 DNA 都不太可能属于一个单一的、巨大的基因组，因为只有少量 DNA 会传递给每个子代。Epulopiscium可能很巨大，但它的基因组大小对细菌来说相当标准——它只是拥有许多拷贝。
Mendell 通过测量三个总是每个基因组只有一个拷贝的细菌基因的频率来证明这一点。她发现，大细胞平均含有 41,000 个这些基因拷贝，每 156 皮克 DNA 对应一次，这意味着每个细胞都包含数以万计的基因组副本！这种拥有比人类（只有两个拷贝）更多的相同基因副本的策略被称为“多倍体”。
基因组越多，蛋白质越多
细菌拥有如此多的基因组副本有什么用呢？Mendell 提供了几个答案。首先，多个拷贝允许它容忍可能杀死大多数其他细菌的重大基因突变。拥有更多的遗传物质也允许细胞变得更大，而变大是有优势的。这种细菌可以移动到肠道中最富含食物的部分，而且它体型巨大，以至于捕食其他较小细菌的细胞会发现它太大而难以吞咽。
Epulopiscium的生活方式也提供了一个线索。它是一种共生体，一种与鱼类宿主和谐共存的细菌。在鱼的肠道中，它获得了持续不断的温暖、营养丰富的液体，作为回报，它通过分泌有价值的分子来支付“房租”。如果这些分子租金为鱼类提供了生存优势，细菌也会受益，并将经历强大的进化压力，以提供更多的东西给它的宿主。
事实确实如此——它产生大量的分子泵，将蛋白质运输出其边界。额外的遗传物质有助于它做到这一点，而 Mendell 认为，许多其他共生体也携带重复基因组（尽管程度不同），这并非巧合。
该细菌的额外遗传物质分布在其边缘，靠近细胞膜。这意味着新的蛋白质可以被创造出来并直接输送到膜中，而无需任何运输问题，就像零售商可以通过在区域内分散多个仓库而不是一个中央仓库来最大程度地减少运输延迟一样。这种劳动分工使得单个Epulopiscium细胞可以作为一个群体，不同的部分独立地响应局部条件。
这些优势中的许多——巨大的体型、移动性、对捕食者的防御——通常在大型的真核细胞甚至多细胞生物中都能找到。通过积累数千个基因组副本并有效地重新分配它们，Epulopiscium通过一种完全不同的途径实现了所有这些优势。这再次证明了细菌奇妙的多样性和能力。
参考文献：Mendell, J.E., Clements, K.D., Choat, J.H., Angert, E.R. (2008). Extreme polyploidy in a large bacterium. Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.0707522105
图片：PNAS 细胞图；鱼类图来自 Fishbase；
