Borgs massive DNA-Strukturen verblüffen Wissenschaftler
Borgs massive DNA-Strukturen verblüffen Wissenschaftler
Anonim

Die Borgs sind gelandet – oder zumindest haben Forscher ihr Gegenstück auf der Erde gefunden. Wissenschaftler, die Proben aus schlammigen Gebieten im Westen der Vereinigten Staaten analysieren, haben neue DNA-Strukturen entdeckt, die anscheinend mikrobielle Gene in der Umwelt sammeln und "assimilieren", ähnlich wie die fiktiven Außerirdischen aus Star Trek, die Borg, die Wissen und Technologie von anderen Spezies assimilieren.

Diese extralangen DNA-Stränge, die Wissenschaftler nach Außerirdischen benannt haben, fügen sich in eine vielfältige Sammlung genetischer Strukturen – wie zirkuläre Plasmide – ein, die als extrachromosomale Elemente (ECEs) bekannt sind. Die meisten Mikroben haben ein oder zwei Chromosomen, die für ihren grundlegenden genetischen Bauplan kodieren. Aber sie können viele verschiedene IQEs enthalten und oft teilen. Sie tragen nicht essentielle, aber nützliche Gene wie Antibiotikaresistenzgene.

Borghi sind eine bisher unbekannte, einzigartige und "absolut atemberaubende" Art von ECE, sagt Jill Banfield, Geomikrobiologin an der University of California, Berkeley. Sie und ihre Kollegen beschrieben die entdeckten Strukturen in einem Preprint, der auf dem bioRxiv1-Server gehostet wurde. Die Arbeit wurde noch nicht begutachtet.

Anders als alles bisher Gesehene

Borges sind DNA-Strukturen, "im Gegensatz zu allem, was wir bisher gesehen haben", sagt Brett Baker, Mikrobiologe an der University of Texas in Austin.

In den letzten Jahren "haben sich die Menschen an ESE-Überraschungen gewöhnt", sagt Huang Li, Mikrobiologe an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking. "Die Entdeckung der Borgs, die zweifellos das Konzept der IVF bereichert, hat jedoch viele Experten auf diesem Gebiet begeistert."

Ihre schiere Größe – von 600.000 bis 1 Million DNA-Basenpaaren in der Länge – ist eines der Merkmale, die die Borgs von vielen anderen ECEs unterscheiden. Borgs sind so groß, dass sie bis zu einem Drittel der Länge des Hauptchromosoms der Wirtsmikroben haben, sagte Banfield.

Banfield untersucht die Auswirkungen von Mikroben auf den Kohlenstoffkreislauf, einschließlich der Produktion und des Abbaus von Methan, einem starken Treibhausgas, und im Oktober 2019 machten sie und ihre Kollegen sich auf die Suche nach ECEs, die Gene enthalten, die am Kohlenstoffkreislauf beteiligt sind, in einem kalifornischen Sumpf. Dort fanden sie die ersten Borgs und identifizierten später 19 verschiedene Arten von diesem und ähnlichen Orten in Colorado und Kalifornien.

Borges scheinen mit Archaeen verwandt zu sein, bei denen es sich nicht um Bakterien handelt, sondern um einzellige Mikroorganismen. Konkret werden die von Banfield und ihrem Team entdeckten Borgs mit den Methanoperedens-Arten in Verbindung gebracht, die Methan verdauen und abbauen. Und die Borg-Gene scheinen beteiligt zu sein, sagt Banfield.

Wissenschaftler sind noch nicht in der Lage, Methanoperedens im Labor zu kultivieren, was für viele Mikroben ein anhaltendes Problem darstellt. Daher basieren die Schlussfolgerungen des Teams, dass die Borghi von Archaea zur Verarbeitung von Methan verwendet werden können, nur auf Sequenzdaten.

Kosten und Nutzen

Wenn die Borgs existieren, wäre die Aufrechterhaltung einer so massiven ESE für die Methanoperedens kostspielig, sagen Banfield und Kollegen, daher müssen DNA-Strukturen von Nutzen sein. Um herauszufinden, was es sein könnte, analysierten die Forscher die Sequenzen von Hunderten von Borg-Genen und verglichen sie mit bekannten Genen.

Borgs scheinen eine Vielzahl von Genen zu enthalten, die für ganze Stoffwechselprozesse benötigt werden, einschließlich der Verdauung von Methan, sagte Banfield. Sie nennt diese Sammlungen eine "Werkzeugkiste", die die Fähigkeiten von Methanoperedens erweitern kann.

Was macht einen Borg zu einem Borg?

Abgesehen von ihrer auffallenden Größe haben die Borgs mehrere strukturelle Gemeinsamkeiten: Sie sind eher linear als kreisförmig wie viele ECEs; sie haben gespiegelte sich wiederholende Sequenzen an jedem Ende des Strangs; und sie haben viele andere repetitive Sequenzen sowohl innerhalb als auch zwischen mutmaßlichen Genen.

Borges ähneln auch den riesigen linearen Plasmiden, die in im Boden lebenden Aktinobakterien gefunden werden, sagt Julian Rafael Deeb, Mikrobiologe an der Versuchsanlage für mikrobiologische Industrieprozesse in Tucuman, Argentinien.

Banfield argumentiert, dass, obwohl einzelne Merkmale der Borg schon früher gefunden wurden, sie sich durch "die Größe, Kombination und metabolische Belastung der Gene" unterscheiden. Sie vermutet, dass sie einst ganze Mikroben waren und von Methanoperenen in ähnlicher Weise assimiliert wurden, wie eukaryotische Zellen durch die Assimilation frei lebender Bakterien energieerzeugende Mitochondrien erhielten.

Jetzt, da Wissenschaftler wissen, wonach sie suchen müssen, können sie mehr Borgs finden, indem sie alte Daten durchsuchen, sagt Baker, der früher in Banfields Labor gearbeitet hat. Er glaubt, nach der Veröffentlichung des Preprints bereits mehrere Kandidaten in seiner eigenen genetischen Datenbank entdeckt zu haben.

Widerstand ist zwecklos

Durch die Analyse des Borg-Genoms sahen Banfield und seine Kollegen auch Anzeichen dafür, dass die Borgs Gene aus verschiedenen Quellen assimilieren, einschließlich des Methanoperedens-Hauptchromosoms, sagt Banfield. Dieses Potenzial zur „Assimilation“von Genen veranlasste ihren Sohn, beim Thanksgiving-Dinner im Jahr 2020 den Namen „Borg“vorzuschlagen.

Das Banfield-Team untersucht derzeit die Funktion der Borgs und die Rolle ihrer DNA-Replikate. Wiederholungen sind für Mikroben wichtig: Wiederholungen unterschiedlicher Struktur, CRISPR genannt, sind Fragmente des genetischen Codes von Viren, die Mikroben in ihre eigene DNA aufnehmen, um sich an Krankheitserreger zu „erinnern“und sich künftig vor ihnen zu schützen.

CRISPR und seine assoziierten Proteine ​​sind zu einem Segen für die Biotechnologie geworden, da sie in leistungsfähige Gen-Editing-Techniken adaptiert wurden – ein Hinweis darauf, dass Borg-Genome ebenfalls nützliche Werkzeuge sein könnten. „Es mag so wichtig und interessant sein wie CRISPR, aber ich denke, es wird eine neue Sache sein“, sagt Banfield, die an zukünftigen Forschungen mit der Co-Autorin Jennifer Doudna, einer CRISPR-basierten Gene-Editing-Pionierin an der University of California, zusammenarbeitet.

Eine mögliche Anwendung, die die Forscher für die Borgs sehen, könnte darin bestehen, den Klimawandel zu bekämpfen. Die Stimulierung des Wachstums von Mikroben, die sie enthalten, könnte möglicherweise die Methanemissionen von im Boden lebenden Archaeen reduzieren, die weltweit etwa 1 Gigatonne jährlich betragen.

Es wäre riskant, dies in natürlichen Feuchtgebieten zu tun, sagte Banfield, aber es könnte in landwirtschaftlichen Gebieten angebracht sein. Als ersten Schritt jagt ihre Gruppe nun Borgs in den Reisfeldern Kaliforniens.

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