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前所未见的新型DNA结构,让科学家感到困惑,有外星人一样的能力

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撰文 | 王聪

博格人(Borg)是科幻片《星际迷航》中虚构的一个宇宙种族,同时也是星际迷航系列中最大的反派。博格人是半生物半机械的生化人。有趣的是,博格人不能繁殖,因此同化其他种族个体是他们维持自身种族存续的唯一方式。

这听起来仿佛是天方夜谭,但如今,一项最新研究表明,“博格种族”可能早已登陆地球,或者至少已经在地球上发现了他们的同类。

2021年7月10日,美国加州大学伯克利分校的研究人员在预印本平台bioRxiv上发表题为:Borgs are giant extrachromosomal elements with the potential to augment methane oxidation(“博格”是一种巨大的染色体外元件,具有增强甲烷氧化的潜力)的研究论文。

研究团队分析了来自美国西部泥泞地区的样本,发现了一种新的DNA结构形式,它们似乎能从环境中的微生物中清除并“同化”基因,这看起来就像《星际迷航》中同化其他种族的外星人——“博格人”。


目前,科学家们将这些超长的DNA链命名为“博格”(Borgs),并将其加入了一个不同的遗传结构集合——染色体外元件(ECE)。

实际上,大多数微生物都会有染色体外的遗传元件,这些额外的遗传片段会携带非必需但有用的基因,比如细菌的质粒上携带的抗生素耐药性基因。

该研究的通讯作者、加州大学伯克利分校的地球微生物学家Jill Banfield表示,Borgs是一种以前不为人知的、独特的、绝对迷人的新的染色体外元件(ECE)类型。

不像之前见过的任何东西

Jill Banfield教授的研究方向是微生物如何影响碳循环——包括强大的温室气体甲烷的产生和分解。2019年10月,她和其同事在加州湿地寻找与碳循环相关的基因片段。在那里,他们发现了第一个Borgs,后来又鉴定出19种不同类型的Borgs,它们来自这个科罗拉多州和加利福尼亚州的类似地点。

德克萨斯大学奥斯汀分校的微生物学家Brett Baker表示,Borgs是“以前从未见过的”DNA结构。与此同时,许多科学家也同意这一发现是令人兴奋的,当然也有人质疑Borgs是否真的是独一无二,它们与其他大型染色体外元件(ECE)之间存在相似之处。

Borgs具有巨大的尺寸,其长度在60-100万对DNA碱基之间,是区别于许多其他片段的特征之一。事实上,它们的确超乎想象的庞大,其长度甚至达到真核生物染色体长度的三分之一。


Borgs具有整体的基因组特征

此外,Borgs似乎与古细菌有关——一种区别于细菌的单细胞微生物。具体地说,研究团队发现的这些与Methanoperedens科古菌有关,这类科古菌能消化并分解甲烷,而Borgs似乎参与了这一过程。

遗憾的是,现在科学家们还不能在实验室环境中培养Methanoperedens,因此研究团队关于Borgs可能被古菌用于甲烷处理的结论仅仅是基于序列数据。


Borg和Methanoperedens基因组特征和丰度模式

Borgs同化的取与舍

对于自然生物,生存和发展必然要在种种的取与舍之间平衡。假设Borgs是真实存在的,为了维持如此庞大的染色体外元件结构,Methanoperedens必然付出了昂贵的代价,那么Borgs又带来了什么收益呢?

为了解答这一疑问,研究人员分析了数百个Borgs基因的序列,并将它们与已知的基因进行比较。他们发现,Borgs似乎包含了许多代谢过程所需要的基因,包括分解甲烷。基于此,研究团队将Borgs描述为一个“工具箱”,它们可能会增强分解甲烷的能力。


Borgs增强甲烷分解能力的模式图

那么,又是什么原因导致Borgs的出现呢?

除了惊人的尺寸之外,Borgs还有几个重要的共同结构特征:

1)Borgs是线性的,而不是像许多染色体外元件(ECE)那样是圆形的;

2)Borgs在链的两端都有镜像的重复序列;

3)Borgs在假定的基因内部和之间都有许多其他的重复序列。

单独来看,Borgs的这些特征可能与其他大型染色体外元件(ECE)的特征重叠,比如某些嗜盐古菌的遗传元件。此外,Borgs的结构也类似于在土壤放线菌中发现的巨大线性质粒。因此,Borgs是否是一种全新的染色体外元件(ECE)在现阶段仍有争议。


三个或三个以上的完美串联直接重复序列(TDR)是Borg基因组的一个特征

Jill Banfield教授表示,虽然以前已经发现了类似Borgs的染色体外元件(ECE),但“大小、组合和代谢基因负荷”并不相同。

她推测,Borgs可能曾经是完整的微生物,但被Methanoperedens同化,就像真核细胞通过同化自由生活的细菌将其内化为线粒体一样。

Borgs或可用于对抗全球变暖

值得注意的是,当分析Borgs的基因序列时,Jill Banfield团队也发现了一些特征,表明Borgs有来自不同来源的同化基因,包括Methanoperedens的染色体。正是这种“同化”基因的潜力,让她的儿子提出了用“博格”来命名。

目前,研究团队正在研究Borgs的功能及其DNA重复序列的作用。实际上,DNA重复序列对微生物来说是很重要的,例如细菌和古菌对抗病毒的免疫防御系统——CRISPR-Cas系统。该系统中被称为CRISPR阵列的重复结构来自病毒的遗传密码片段,微生物将这些片段整合到自己的DNA中,以此“记住”病原体,以便在未来抵御它们。

近年来,基于CRISPR的基因编辑技术的迅速发展正在潜移默化地改变着生命科学研究领域乃至人类世界,这意味着Borgs也可能具有类似的潜力。

凭借CRISPR基因编辑获得诺贝尔化学奖的Jennifer Doudna也是这篇论文的作者之一,现在他们正在合作进行后续研究。


Jill Banfield(左),Jennifer Doudna(右)

Jill Banfield还认为,Borgs的一个潜在应用可能是在对抗气候变化方面提供帮助。如果能培养含有Borgs微生物,或许可以减少土壤中古菌产生的甲烷排放,甲烷是导致温室效应的罪魁祸首之一,而全球每年的甲烷排放总量约为10亿吨!

如今,全球变暖愈渐加重,近期美国西雅图等地更是爆发了千年难得一遇的热浪。这项研究在古菌中发现了全新的大型DNA结构——Borgs,这种DNA结构可能具有增强古菌分解甲烷的潜力,在未来也许可以在控制温室气体排放方面发挥重要作用。

科学的魅力在于探索未知,发现未知。基于这项研究,科学家们可以根据这些特征去筛选旧数据来发现更多的Borgs,也许它们就存在于我们身边。

参考文献:

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.07.10.451761v1

https://www.nature.com/articles/d41586-021-01947-3

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