Masywne struktury DNA Borga zbijają z tropu naukowców

Spisu treści:

Masywne struktury DNA Borga zbijają z tropu naukowców
Masywne struktury DNA Borga zbijają z tropu naukowców
Anonim

Borgowie wylądowali - a przynajmniej naukowcy znaleźli swojego odpowiednika na Ziemi. Naukowcy analizujący próbki z błotnistych obszarów w zachodnich Stanach Zjednoczonych odkryli nowe struktury DNA, które wydają się zbierać i „przyswajać” geny drobnoustrojów w środowisku, podobnie jak fikcyjni kosmici ze Star Trek, Borg, którzy asymilują wiedzę i technologię od innych gatunków.

Te wyjątkowo długie nici DNA, które naukowcy nazwali na cześć kosmitów, dołączają do zróżnicowanej kolekcji struktur genetycznych – takich jak okrągłe plazmidy – znanych jako elementy pozachromosomalne (ECE). Większość drobnoustrojów ma jeden lub dwa chromosomy, które kodują ich podstawowy plan genetyczny. Ale mogą zawierać i często dzielić wiele różnych IQE. Przenoszą nieistotne, ale użyteczne geny, takie jak geny oporności na antybiotyki.

Borghi są wcześniej nieznanym, wyjątkowym i „absolutnie oszałamiającym” typem ECE, mówi Jill Banfield, geomikrobiolog z University of California w Berkeley. Ona i jej koledzy opisali struktury, które odkryli w preprintie przechowywanym na serwerze bioRxiv1. Praca nie została jeszcze zrecenzowana.

W przeciwieństwie do wszystkiego, co wcześniej widziano

Borges to struktury DNA „w przeciwieństwie do niczego, co widzieliśmy wcześniej”, mówi Brett Baker, mikrobiolog z University of Texas w Austin.

W ostatnich latach „ludzie przyzwyczaili się do niespodzianek związanych z ESE” – mówi Huang Li, mikrobiolog z Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie. „Jednak odkrycie Borga, które niewątpliwie wzbogaca koncepcję in vitro, zachwyciło wielu ekspertów w tej dziedzinie”.

Sama wielkość – od 600 000 do 1 miliona par zasad DNA – jest jedną z cech, które odróżniają Borg od wielu innych ECE. Borg są tak ogromne, że mają do jednej trzeciej długości głównego chromosomu drobnoustroju gospodarza, powiedział Banfield.

Banfield bada wpływ drobnoustrojów na cykl węglowy, w tym produkcję i rozkład metanu, silnego gazu cieplarnianego, a w październiku 2019 r. wraz z kolegami wyruszyła na poszukiwanie ECE zawierających geny zaangażowane w cykl węglowy w Kalifornii bagno. Tam znaleźli pierwszego Borga, a później zidentyfikowali 19 różnych typów z tego i podobnych miejsc w Kolorado i Kalifornii.

Borges wydają się być spokrewnione z archeonami, które są jednokomórkowymi mikroorganizmami innymi niż bakterie. W szczególności Borg odkryte przez Banfield i jej zespół są powiązane z gatunkami Methanoperedens, które trawią i rozkładają metan. Wydaje się, że zaangażowane są geny Borga, mówi Banfield.

Naukowcy nie są jeszcze w stanie wyhodować metanoopereden w laboratorium, co jest ciągłym problemem dla wielu drobnoustrojów, więc wnioski zespołu, że borghi mogą być wykorzystywane przez Archaea do przetwarzania metanu, opierają się wyłącznie na danych sekwencyjnych.

Koszty i korzyści

Banfield i koledzy twierdzą, że gdyby Borgowie istniały, utrzymanie tak masywnego ESE byłoby kosztowne dla Methanopereden, więc struktury DNA muszą przynosić pewne korzyści. Aby dowiedzieć się, co to może być, naukowcy przeanalizowali sekwencje setek genów Borga i porównali je ze znanymi genami.

Borg wydaje się zawierać różne geny wymagane do całych procesów metabolicznych, w tym trawienia metanu, powiedział Banfield. Nazywa te kolekcje „skrzynią narzędziową”, która może rozszerzyć możliwości Methanoperedens.

Co sprawia, że Borg jest Borgiem?

Oprócz ich uderzającego rozmiaru, Borgowie mają kilka wspólnych cech strukturalnych: są raczej liniowe niż okrągłe, jak wiele ECE; mają lustrzane powtarzające się sekwencje na każdym końcu nici; i mają wiele innych powtarzających się sekwencji zarówno w obrębie domniemanych genów, jak i pomiędzy nimi.

Borges przypominają również gigantyczne plazmidy liniowe występujące w promieniowcach żyjących w glebie, mówi Julian Rafael Deeb, mikrobiolog z Zakładu Doświadczalnego dla Mikrobiologicznych Procesów Przemysłowych w Tucuman w Argentynie.

Banfield argumentuje, że chociaż indywidualne cechy Borg zostały już wcześniej znalezione, różnią się one „rozmiarem, kombinacją i obciążeniem metabolicznym genów”. Sugeruje, że kiedyś były to całe drobnoustroje i zostały przyswojone przez metanopereny w podobny sposób, w jaki komórki eukariotyczne otrzymywały wytwarzające energię mitochondria poprzez asymilację wolno żyjących bakterii.

Teraz, gdy naukowcy wiedzą, czego szukać, mogą znaleźć więcej Borgsów, przesiewając stare dane, mówi Baker, który kiedyś pracował w laboratorium Banfielda. Uważa, że po opublikowaniu preprintu mógł już odkryć kilku kandydatów we własnej genetycznej bazie danych.

Opór jest bezcelowy

Analizując genom Borg, Banfield i jego koledzy zauważyli również oznaki asymilacji genów z różnych źródeł, w tym z głównego chromosomu Methanoperedens, mówi Banfield. Ten potencjał „asymilacji” genów skłonił jej syna do zasugerowania nazwy „Borg” podczas kolacji z okazji Święta Dziękczynienia w 2020 roku.

Zespół z Banfield bada obecnie funkcję Borgów i rolę ich replik DNA. Powtórzenia są ważne dla drobnoustrojów: powtórzenia o różnej strukturze, zwane CRISPR, to fragmenty kodu genetycznego wirusów, które drobnoustroje włączają do własnego DNA w celu „zapamiętania” patogenów i ochrony przed nimi w przyszłości.

CRISPR i powiązane z nim białka stały się dobrodziejstwem dla biotechnologii, ponieważ zostały zaadaptowane do potężnych technik edycji genów - wskazówka, że genomy Borg również mogą być użytecznymi narzędziami. „Może to być tak samo ważne i interesujące jak CRISPR, ale myślę, że będzie to coś nowego” – mówi Banfield, który współpracuje nad przyszłymi badaniami ze współautorką Jennifer Doudną, pionierką edycji genów w oparciu o CRISPR z Uniwersytetu Kalifornijskiego..

Jednym z potencjalnych zastosowań, jakie naukowcy widzą dla Borgów, może być pomoc w walce ze zmianą klimatu. Stymulowanie wzrostu drobnoustrojów, które je zawierają, może potencjalnie zmniejszyć emisje metanu z archeonów żyjących w glebie, które wynoszą około 1 gigatonę rocznie na całym świecie.

Banfield powiedział, że byłoby to ryzykowne na naturalnych terenach podmokłych, ale może być odpowiednie na obszarach rolniczych. W pierwszej kolejności jej grupa poluje teraz na Borgsa na polach ryżowych Kalifornii.

Zalecana: