Массивные структуры ДНК Борга сбивают с толку ученых

Эти сверхдлинные нити ДНК, которые ученые назвали в честь пришельцев, присоединяются к разнообразному набору генетических структур — например, кольцевым плазмидам — ​​известным как внехромосомные элементы (ECE). Большинство микробов имеют одну или две хромосомы, которые кодируют их первичный генетический код. Но они могут размещать и часто совместно использовать многие отдельные ECE. Они несут несущественные, но полезные гены, например, гены устойчивости к антибиотикам.

«Борги — это ранее неизвестный, уникальный и« абсолютно захватывающий »тип ЭКО, — говорит Джилл Бэнфилд, геомикробиолог из Калифорнийского университета в Беркли. Она и ее коллеги описывают свое открытие структур в препринт размещен на сервере bioRxiv1.

ДНК борга: в отличие от всего, что видели раньше

Борги — это структуры ДНК »не похоже на то, что видели раньше,— говорит Бретт Бейкер, микробиолог из Техасского университета в Остине. Другие ученые согласны с тем, что находка является захватывающей, но задаются вопросом, действительно ли борги уникальны, отмечая сходство между ними и другими крупными ECE.

В былые времена «люди привыкли к сюрпризам в сфере ДОО,— говорит Хуан Ли, микробиолог Китайской академии наук в Пекине. «Тем не менее, открытие Борга, которое, несомненно, обогащает концепцию ЭКЭ, увлекло многих в этой области.”

Их огромный размер, варьирующийся от более 600000 до примерно 1 миллиона пар оснований ДНК в длину, является одной из особенностей, которая отличает боргов от многих других ECE. По словам Бэнфилда, на самом деле борги настолько огромны, что составляют до одной трети длины основной хромосомы микробов-хозяев.

Бэнфилд изучает, как микробы влияют на углеродный цикл, включая производство и разложение метана, мощного парникового газа, и в октябре 2019 года она и ее коллеги отправились на охоту на ECE, содержащие гены, участвующие в углеродном цикле, в водно-болотных угодьях Калифорнии. Там они нашли первых боргов, а позже идентифицировали 19 различных типов из этого и подобных мест в Колорадо и Калифорнии.

Борги, по-видимому, связаны с археями, одноклеточными микроорганизмами, отличными от бактерий. В частности, те, что обнаружили Бэнфилд и ее команда, связаны с разновидностью Methanoperedens, которая переваривает и разрушает метан. Похоже, что в этот процесс вовлечены гены Борга, — говорит Бэнфилд.

Ученые пока не могут культивировать Methanoperedens в лаборатории — постоянная проблема для многих микробов — поэтому выводы команды о том, что борги могут использоваться археями для обработки метана, основаны только на данных последовательности.

«Они сделали интересное наблюдение,— говорит системный биолог Нитин Балига из Института системной биологии в Сиэтле, штат Вашингтон. Но он предупреждает, что когда исследователи просеивают фрагменты многих геномов и собирают их вместе, как это сделала команда Бэнфилда, можно сделать ошибки. Он добавляет, что для того, чтобы открытие можно было считать окончательным, необходимо будет найти боргов в культивируемых Methanoperedens.

Затраты и преимущества

Предполагая, что Борги реальны, поддержание такого массивного ECE будет дорогостоящим для Methanoperedens, говорят Банфилд и его коллеги, поэтому структуры ДНК должны приносить некоторую выгоду. Чтобы узнать, что это может быть, исследователи проанализировали последовательности сотен генов Борга и сравнили их с известными генами.

Борги, кажется, содержат много генов, необходимых для всех метаболических процессов, включая переваривание метана, говорит Бэнфилд. Она описывает эти коллекции как «набор инструментов», которые могут усилить способности Метанопереденса.

Так что же делает Борга Боргом?

В дополнение к своим замечательным размерам, Борги имеют несколько общих структурных особенностей: они линейны, а не круглы, как многие ECE; у них есть зеркальные повторяющиеся последовательности на каждом конце цепи; и у них есть много других повторяющихся последовательностей как внутри, так и между предполагаемыми генами.

По отдельности эти особенности боргов могут пересекаться с теми, которые наблюдаются в других крупных ECE, например, элементы у некоторых соленолюбивых архей, поэтому Балига говорит, что новизна боргов все еще остается предметом споров на данном этапе. Борги также напоминают гигантские линейные плазмиды, обнаруженные в почвенных актинобактериях, — говорит Хулиан Рафаэль Диб, микробиолог экспериментального завода микробиологических промышленных процессов в Тукумане, Аргентина.

Банфилд возражает, что, хотя индивидуальные черты боргов были замечены и раньше, «размер, комбинация и метаболическая нагрузка генов »- вот что их отличает. Она предполагает, что когда-то они были целыми микробами и были ассимилированы Methanoperedens почти так же, как эукариотические клетки получали митохондрии, вырабатывающие энергию, путем ассимиляции свободноживущих бактерий.

Теперь, когда ученые знают, что искать, они могут найти больше Боргов, просеивая старые данные.a, — говорит Бейкер, который раньше работал в лаборатории Бэнфилда. Он думает, что, возможно, он уже обнаружил некоторых кандидатов в своей собственной генетической базе данных с тех пор, как был опубликован препринт.

Сопротивление бесполезно

При анализе генома Борга Бэнфилд и его коллеги также увидели особенности, предполагающие, что Борги ассимилировали гены из разных источников, включая основную хромосому Methanoperedens, говорит Бэнфилд. Эта способность « ассимилировать » гены привела к тому, что ее сын предложил имя « Борг » за ужином в День Благодарения в 2020 году.

Команда Бэнфилда сейчас исследует функцию Боргов и роль их ДНК-повторов. Повторы важны для микробов: повторы с разной структурой, называемые CRISPR, представляют собой фрагменты генетического кода вирусов, которые микробы включают в свою ДНК, чтобы «запомнить» патогены, чтобы они могли защищаться от них в будущем.

CRISPR и связанные с ним белки были благом для биотехнологии, потому что они были адаптированы в мощную технику редактирования генов, намекая на то, что геномы Borg также могут дать полезные инструменты. «Это могло бы быть так же важно и интересно, как CRISPR, но я думаю, что это будет что-то новое,— говорит Бэнфилд, которая сотрудничает в будущих исследованиях со своим соавтором препринта Дженнифер Дудна, пионером редактирования генов на основе CRISPR в Калифорнийском университете.

Собираются ли они скоро превратить наш ландшафт в оружие этими боргами во имя изменения климата? Еще одна плохая идея ученых… Еще одна плохая идея!