Nature热议：庞大的DNA“Borgs”结构困扰着科学家

研究人员说，他们在泥土中发现了独特而令人兴奋的DNA链——其他人并不确定它们的新颖性。

　　

“博格人”已经登陆，或者至少研究人员已经在地球上发现了他们的同类。科学家们分析了来自美国西部泥泞地区的样本，发现了新的DNA结构，它们似乎能从环境中的微生物中清除并“同化”基因，这很像科幻小说《星际迷航》中吸收其他物种知识和技术的外星人“博格人”（The Borg）。

这些超长的DNA链，科学家们以纪念外星人的名字命名，加入了一个不同的遗传结构集合，例如圆形质粒，被称为染色体外元素(ECEs)。大多数微生物都有一个或两个染色体来编码它们的主要遗传蓝图。但它们可以托管并经常共享许多不同的片段。这些基因携带非必需但有用的基因，比如抗生素耐药性基因。

加州大学伯克利分校的地球微生物学家Jill Banfield说，“博格人”是一种以前不为人知的、独特的ECE类型。她和她的同事在bioRxiv1预印本中描述了他们发现的结构。这项工作还有待同行评议。

从未见过

Borgs是“以前从未见过的”DNA结构，德州大学奥斯汀分校的微生物学家Brett Baker说。其他科学家同意这一发现是令人兴奋的，但他们质疑Borgs是否真的是独一无二的，因为注意到它们与其他大型碎片之间的相似之处。

中国科学院微生物学家黄力表示，近年来，“人们已经习惯了生态环境分析领域的意外，然而，Borgs的发现无疑丰富了ECEs的概念，吸引了该领域的许多人。”

古细菌

Borgs尺寸巨大，长度在60多万到大约100万对DNA碱基对之间，是区别于许多其他片段的特征之一。Banfield说，事实上，Borgs是如此之大，其长度高达宿主微生物主染色体长度的三分之一。

Banfield研究了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降解。2019年10月，她和她的同事在加州湿地寻找含有参与碳循环的基因的片段。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，它们来自这个以及科罗拉多州和加利福尼亚州的类似地点。

Borgs似乎与古细菌有关，古细菌是与细菌不同的单细胞微生物。具体地说，Banfield和她的团队发现的这些与Methanoperedens变种有关，这种变种能消化并破坏甲烷。而Borgs基因似乎参与了这一过程，Banfield说。

 
研究人员在科罗拉多州东河的这个地点发现了Borgs

 

科学家们还不能在实验室中培养Methanoperedens,这对许多微生物研究来说都是一个持续的挑战，所以该团队关于Borgs可能被古菌用于甲烷处理的结论仅仅是基于序列数据。

“他们做了一个有趣的观察，”系统生物学研究所的系统生物学家Nitin Baliga说。但他警告说，当研究人员筛选许多基因组片段并将它们拼凑起来时，就像Banfield的团队所做的那样，可能会出错。他补充说，在培养的Methanoperedens中发现Borgs对于确定发现是必要的。

成本和收益

Banfield和他的同事们说，假设Borgs是真实存在的，那么维持如此庞大的ECE对甲烷开放分子来说将是非常昂贵的，所以DNA结构一定会提供一些好处。为了了解这可能是什么，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。

Borgs似乎包含了许多整个代谢过程所需要的基因，包括消化甲烷。Banfield将这些集合描述为“一个工具箱”，可能会增强甲烷操作器的能力。

那么是什么让The Borg成为Borg人呢？除了惊人的尺寸之外，Borgs还有几个共同的结构特征：它们是线性的，而不是像许多pieces那样是圆形的，它们在链的两端都有镜像的重复序列，它们在假定的基因内部和之间都有许多其他的重复序列。

所以可以说科学家们发现了一种奇怪的微生物，它可以帮助解释复杂生命的起源。

单独来看，Borgs的这些特征可能与其他大型物种的特征重叠，比如某些喜盐古生菌中的元素，所以Baliga说，Borgs的新奇性在现阶段仍有争议。Borgs也类似于在土壤中发现的放线菌中的巨大线性质粒，Julián Rafael Dib说，他是阿根廷Tucumán微生物工业过程试验厂的一位微生物学家。

Banfield反驳说，虽然以前已经发现了Borgs的个体特征，但“大小、组合和代谢基因负荷”是它们不同的原因。她推测它们曾经是完整的微生物，并被甲烷打开剂同化，就像真核细胞通过同化自由生活的细菌获得能量线粒体一样。

既然科学家们知道要寻找什么，他们可能会通过筛选旧数据来发现更多的博格。作者认为，自从预印本发布以来，研究人员可能已经在自己的基因数据库中发现了一些候选基因。

Banfield说，当分析The Borg的基因组时，研究人员也发现了一些特征，表明The Borg有来自不同来源的同化基因，包括主要的甲烷操纵子染色体。这种“同化”基因的潜力让她的儿子在2020年的感恩节晚餐上提出了“Borg”这个名字。

Banfield的团队目前正在研究Borg的功能及其DNA重复的作用。重复对微生物来说很重要：被称为CRISPR的不同结构的重复是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，“记住”病原体，以便在未来抵御它们。

CRISPR及其相关蛋白对生物技术来说是一个福音，因为它们已经被改造成一种强大的基因编辑技术——这意味着Borg基因组也可能产生有用的工具。“它可能和CRISPR一样重要和有趣，但我认为它将是一件新事物，”Banfield说，她正在与预印本的合著者Jennifer Doudna合作进行未来的研究。Doudna是加州大学基于CRISPR的基因编辑的先驱。

研究人员认为，Borg的一个潜在应用可能是在对抗气候变化方面提供帮助。培养含有它们的微生物的生长，或许可以减少土壤中古菌产生的甲烷排放，全球每年的甲烷排放总量约为10亿吨。Banfield说，在天然湿地上这样做是有风险的，但在农业用地上可能是合适的。因此，作为第一步，她的团队现在正在加利福尼亚的稻田里寻找Borgs。

（生物通）

原文检索：

BasemAl-Shayeb, Marie C. Schoelmerich, Jacob West-Roberts, Luis E.Valentin-Alvarado, Rohan Sachdeva, Susan Mullen, Alexander Crits-Christoph, MichaelJ. Wilkins, Kenneth H. Williams, Jennifer A. Doudna, Jillian F. Banfield. Borgsare giant extrachromosomal elements with the potential to augment methaneoxidation. BioRxiv, 2021