吃甲烷的“博格人”一直在同化地球上的微生物:一种新发现的具有科幻名称的可转移 DNA 结构似乎在平衡大气甲烷方面发挥了作用

吃甲烷的“博格人”一直在同化地球上的微生物:一种新发现的具有科幻名称的可转移 DNA 结构似乎在平衡大气甲烷方面发挥了作用

星际迷航, 博格人是一个无情的、思想集中的集体,他们为了接管银河系而同化其他生物。 在非虚构的地球上,Borgs 是可以帮助人类应对气候变化的 DNA 包。

去年,由 Jill Banfield 领导的一个团队在一种名为 甲烷操作菌 这似乎可以提高生物体的新陈代谢率。 他们将这些遗传元素命名为“Borgs”,因为其中的 DNA 包含从许多生物体中吸收的基因。 在今天作为封面项目发表的一项研究中 自然,研究人员描述了 Borgs 体内奇怪的基因集合,并开始研究这些 DNA 包在环境过程中所起的作用,例如碳循环。

第一次接触

甲烷操作菌 是一种分解甲烷(CH4) 在土壤、地下水和大气中以支持细胞新陈代谢。 甲烷操作菌 和其他消耗甲烷的微生物生活在世界各地的不同生态系统中,但被认为不如使用光合作用、氧气或发酵获取能量的微生物常见。 然而,它们通过从大气中去除甲烷——最有效的温室气体——在地球系统过程中发挥着巨大的作用。 甲烷捕获的热量是二氧化碳的 30 倍,据估计,甲烷占人类驱动的全球变暖的 30%。 这种气体是通过地质过程和产生甲烷的古细菌自然排放的; 然而,工业过程正在以令人担忧的数量将储存的甲烷释放回大气中。

Banfield 是劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的教授科学家和加州大学伯克利分校地球与行星科学与环境科学、政策与管理教授,研究微生物活动如何塑造大规模环境过程,以及反过来如何影响环境波动改变地球的微生物群落。 作为这项工作的一部分,她和她的同事定期对不同栖息地的微生物进行采样,以了解微生物正在使用哪些有趣的基因来生存,以及这些基因如何影响关键元素(如碳、氮和硫)的全球循环。 该团队研究了细胞内的基因组以及被称为染色体外元件 (ECE) 的便携式 DNA 包,它们在细菌、古细菌和病毒之间转移基因。 这些元素使微生物能够迅速从邻居那里获得有益基因,包括那些只有远亲关系的基因。

学习的时候 甲烷操作菌 科学家们从加利福尼亚的季节性湿地池土壤中取样,发现了一种全新类型 ECE 的证据。 与构成大多数质粒(最知名的染色体外元件类型)的 DNA 环状链不同,新的 ECE 是线性的并且非常长 – 高达整个长度的三分之一 甲烷操作菌 基因组。 在分析了加利福尼亚和科罗拉多州地下土壤、含水层和河床中含有消耗甲烷的古细菌的其他样本后,该团队发现了总共 19 个不同的 ECE,他们称之为 Borgs。 使用先进的基因组分析工具,科学家们确定博格人体内的许多序列与实际体内的甲烷代谢基因相似。 甲烷操作菌 基因组。 一些博格人甚至编码了所有必要的细胞机器来自己吃甲烷,只要它们在可以表达基因的细胞内。

“想象一个有能力消耗甲烷的单个细胞。现在你在该细胞中添加可以并行消耗甲烷的遗传元素,并添加赋予细胞更高容量的遗传元素。它基本上为类固醇消耗甲烷创造了条件,如果你愿意的话,”共同作者、伯克利实验室地球与环境科学领域的资深科学家和班菲尔德的同事肯尼斯·威廉姆斯解释道。 威廉姆斯在科罗拉多州步枪遗址领导了研究,在那里发现了最具特征的博格,他还是科罗拉多州克雷斯特德比尤特附近东河研究地点的首席现场科学家,班菲尔德目前的一些采样就在这里进行。

东河现场是能源部流域功能科学重点领域的一部分,这是一个由伯克利实验室领导的多学科研究项目,旨在将微生物学和生物化学与水文学和气候科学联系起来。 “我们的专长是将通常被认为和视为完全不同的研究领域的东西汇集在一起​​​​ – 将基因一直到分水岭和大气过程的一切联系起来的大科学。”

抵抗是徒劳的缺点

Banfield 和她在加州大学伯克利分校创新基因组学研究所的研究人员,包括共同作者和长期合作者 Jennifer Doudna,假设 Borgs 可能是被吞噬的整个微生物的残留碎片。 甲烷操作菌 帮助新陈代谢,类似于植物细胞如何利用以前自由生活的光合微生物来获得我们现在所说的叶绿体,以及古代真核细胞如何消耗今天线粒体的祖先。 基于序列的相似性,被吞噬的细胞可能是 甲烷操作菌,但在 Borgs 中发现的基因的整体多样性表明这些 DNA 包是从广泛的生物体中同化的。

无论起源如何,很长一段时间以来,博格人都与这些古菌一起存在,来回穿梭基因。

值得注意的是,一些 甲烷操作菌 被发现没有博格。 而且,除了可识别的基因外,博格家族还包含编码其他代谢蛋白、膜蛋白和细胞外蛋白的独特基因,这些蛋白几乎肯定与能量产生所需的电子传导有关,以及其他对其宿主具有未知影响的蛋白质。 直到科学家们可以培养 甲烷操作菌 在实验室环境中,他们无法确定不同的 Borg 赋予了哪些能力,为什么有些微生物会使用它们,而其他微生物为什么不使用。

一种可能的解释是,Borgs 充当了仅在特定时间需要的代谢基因的储存柜。 正在进行的甲烷监测研究表明,甲烷浓度全年变化很大,通常在秋季达到峰值,并在早春降至最低水平。 因此,博格家族为食用甲烷的微生物提供了竞争优势,例如 甲烷操作菌 在甲烷含量丰富的时期,它们的天然细胞机制无法分解。

众所周知,质粒具有类似的作用,当毒素以足够高的浓度存在以施加进化压力时,会迅速传播抵抗有毒分子(如重金属和抗生素)的基因。

“有证据表明,不同类型的博格有时会在同一个宿主中共存 甲氧戊二烯 细胞。 这开启了博格在世系间传播基因的可能性,”班菲尔德说。

大胆探索(微生物)宇宙

自从去年将他们的文章作为预印本发布以来,该团队已经开始后续工作,以更好地了解 Borgs 可能如何影响生物和地质过程。 一些研究人员正在梳理来自其他微生物的遗传物质数据集,寻找博格人与其他物种存在关联的证据。

当她的同事们使用基于实验室的方法时,共同作者、班菲尔德实验室的研究生苏珊·马伦(Susan Mullen)将通过一些风景如画的实地工作让她的脚湿透。 她最近启动了一个项目,对全年从东河泛滥平原的微生物进行采样,以评估博格丰度和其他已知参与甲烷循环的微生物的季节性变化与甲烷的季节性通量之间的关系。

这组作者说,几年后,精心培养的充满博格氏菌的微生物可以用来减少甲烷和遏制全球变暖。 这一切都是为了造福集体——地球上的生命。

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