Массивные структуры ДНК "Боргов" озадачивают ученых

Борги приземлились - или, по крайней мере, исследователи обнаружили их аналог на Земле. Ученые, анализируя образцы из илистых участков на западе США, обнаружили новые структуры ДНК, которые, похоже, собирают и "ассимилируют" гены микроорганизмов в окружающей среде, подобно вымышленным пришельцам из "Звездного пути" - боргам, которые ассимилируют знания и технологии других видов.

Эти сверхдлинные нити ДНК, которые ученые назвали в честь инопланетян, присоединяются к разнообразной коллекции генетических структур - например, кольцевых плазмид - известных как внехромосомные элементы (ВХЭ). Большинство микробов имеют одну или две хромосомы, которые кодируют их основной генетический план. Но они могут содержать и часто совместно использовать множество различных ВКЭ. Они несут несущественные, но полезные гены, например, гены устойчивости к антибиотикам.

Борги - это ранее неизвестный, уникальный и "абсолютно потрясающий" тип ЭЦЭ, говорит Джилл Банфилд, геомикробиолог из Калифорнийского университета в Беркли. Она и ее коллеги описали обнаруженные ими структуры в препринте, размещенном на сервере bioRxiv1. Работа еще не прошла рецензирование.

В отличие от всего ранее виденного

Борги - это структуры ДНК, "не похожие ни на одну из тех, что встречались ранее", - говорит Бретт Бейкер, микробиолог из Техасского университета в Остине. 

В последние годы "люди привыкли к сюрпризам в области ЭСЭ", - говорит Хуан Ли, микробиолог из Китайской академии наук в Пекине. "Однако открытие боргов, которое, несомненно, обогащает концепцию ЭКО, привело в восторг многих специалистов в этой области".

Их огромный размер - от 600 000 до 1 миллиона пар оснований ДНК в длину - одна из особенностей, которая отличает боргов от многих других ЕСЕ. По словам Банфилда, борги настолько огромны, что их длина составляет до одной трети длины основной хромосомы микробов-хозяев.

Банфилд изучает влияние микробов на углеродный цикл, включая производство и разложение метана, мощного парникового газа, и в октябре 2019 года она и ее коллеги отправились на поиски ECE, содержащих гены, участвующие в углеродном цикле, в калифорнийские болота. Там они обнаружили первые борги, а позже идентифицировали 19 различных типов из этого и подобных мест в Колорадо и Калифорнии.

Борги, по-видимому, связаны с археями, которые являются одноклеточными микроорганизмами, отличными от бактерий. В частности, обнаруженные Банфилд и ее командой борги связаны с разновидностью Methanoperedens, которые переваривают и разрушают метан. И гены Borg, похоже, участвуют в этом процессе, говорит Банфилд.

Ученые пока не могут культивировать Methanoperedens в лаборатории, что является постоянной проблемой для многих микробов, поэтому выводы команды о том, что борги могут использоваться археей для переработки метана, основаны только на данных последовательности.

Затраты и выгоды

Если борги существуют, то поддержание такой массивной ЭСЭ будет дорогостоящим для Methanoperedens, говорят Банфилд и его коллеги, поэтому структуры ДНК должны приносить какую-то пользу. Чтобы узнать, что это может быть, исследователи проанализировали последовательности сотен генов боргов и сравнили их с известными генами.

По словам Банфилд, в боргах, похоже, содержится множество генов, необходимых для целых метаболических процессов, включая переваривание метана. Она называет эти коллекции "набором инструментов", которые могут расширить возможности Methanoperedens.

Что же делает борга боргом? 

Помимо поразительного размера, борги имеют несколько общих структурных особенностей: они линейные, а не кольцевые, как многие ЕСЕ; они имеют зеркальные повторяющиеся последовательности на каждом конце нити; и у них много других повторяющихся последовательностей как внутри, так и между предполагаемыми генами.

Борги также напоминают гигантские линейные плазмиды, обнаруженные у обитающих в почве актинобактерий, говорит Хулиан Рафаэль Диб, микробиолог из Экспериментального завода микробиологических промышленных процессов в Тукумане, Аргентина.

Бэнфилд утверждает, что хотя отдельные черты боргов встречались и раньше, их отличает "размер, сочетание и метаболическая нагрузка генов". Она предполагает, что когда-то они были целыми микробами и были ассимилированы метаноперенами примерно так же, как эукариотические клетки получили митохондрии, генерирующие энергию, путем ассимиляции свободноживущих бактерий.

Теперь, когда ученые знают, что искать, они могут найти больше боргов, просеивая старые данные, говорит Бейкер, который раньше работал в лаборатории Банфилда. Он считает, что, возможно, уже обнаружил несколько кандидатов в своей собственной генетической базе данных после публикации препринта.

Сопротивление бесполезно

Анализируя геном боргов, Банфилд и его коллеги также увидели признаки, указывающие на то, что борги ассимилировали гены из различных источников, включая главную хромосому Methanoperedens, говорит Банфилд. Этот потенциал "ассимиляции" генов заставил ее сына предложить название "Борг" за ужином в День благодарения в 2020 году.

Сейчас команда Банфилд изучает функции боргов и роль повторов их ДНК. Повторы важны для микробов: различные по структуре повторы, называемые CRISPR, представляют собой фрагменты генетического кода вирусов, которые микробы включают в собственную ДНК, чтобы "запомнить" патогены и защититься от них в будущем.

CRISPR и связанные с ним белки стали благом для биотехнологий, поскольку они были адаптированы в мощную технику редактирования генов - намек на то, что геномы боргов также могут стать полезными инструментами. "Это может быть так же важно и интересно, как CRISPR, но я думаю, что это будет новая вещь", - говорит Банфилд, которая сотрудничает в будущих исследованиях с соавтором препринта Дженнифер Дудна, пионером редактирования генов на основе CRISPR в Калифорнийском университете.

Одно из потенциальных применений, которое исследователи видят для Borgs, может стать подспорьем в борьбе с изменением климата. Стимулирование роста содержащих их микробов могло бы, возможно, сократить выбросы метана, производимые обитающими в почве археями, которые ежегодно составляют около 1 гигатонны в глобальном масштабе. 

По словам Банфилд, было бы рискованно делать это в естественных водно-болотных угодьях, но это может быть уместно на сельскохозяйственных участках. Поэтому в качестве первого шага ее группа сейчас охотится на боргов на калифорнийских рисовых полях.