(KTSDesign/Science Photo Library/Getty Images) In einem kalifornischen Hinterhof wurden mysteriöse DNA-Stränge entdeckt, die scheinbar Gene von vielen verschiedenen Organismen in ihrer Umgebung assimilieren.
Wissenschaftler haben diese Elemente „Borgs“ genannt, und ihre Entdeckung könnte uns nicht nur helfen, die Entwicklung von Mikroorganismen zu verstehen, sondern auch ihre Interaktionen innerhalb ihrer Ökosysteme und ihre Rolle in der weiteren Umwelt.
Laut der Geomikrobiologin Jill Banfield von der University of California in Berkeley könnten Borgs für eine enorm bedeutsame Entdeckung sorgen.
„Seitdem war ich nicht mehr so begeistert von einer Entdeckung.“ CRISPR ,' sagte sie auf Twitter . „Wir haben etwas Rätselhaftes gefunden, das wie CRISPR mit mikrobiellen Genomen zusammenhängt.“
Ein Artikel, der die Strukturen beschreibt, wurde auf den Preprint-Server hochgeladen bioRxiv , und wartet derzeit Peer-Review .
Der erste der Borg wurde im Schlamm entdeckt, der aus Banfields Hinterhof ausgebaggert wurde. Bei der Identifizierung arbeitete sie mit dem Genetiker Basem Al-Shayeb von der UC Berkeley zusammen Viren die anoxische Mikroben, sogenannte Archaeen, infizieren, die in Feuchtgebieten leben, Wissenschaftsmagazin Berichte .
Umwelt-DNA ist eine hervorragende Möglichkeit, die Bandbreite der Organismen zu identifizieren, die ein Ökosystem bewohnen. Aber in ihrer Schlammschaufel fanden Banfield und Al-Shayeb etwas lustig : eine DNA-Struktur, die aus fast einer Million Basenpaaren besteht. Das ist riesig.
Ein genauerer Blick auf die Sequenz offenbarte noch weitere Besonderheiten: Mehr als die Hälfte der Gene waren neu; es hatte gespiegelte Sequenzen am Ende jedes Strangs; und es zeigte Strukturen, die mit der Fähigkeit zur Selbstreplikation vereinbar waren.
Verwirrt wandten sich die Forscher den DNA-Datenbanken zu, um zu sehen, ob sie noch etwas anderes finden könnten, das ihrer Entdeckung ähnelte. Sie identifizierten 19 Sequenzen, die zum Profil zu passen schienen.
Was diese DNA-Strukturen sind, ist unklar, aber sie sind auf jeden Fall faszinierend. Sie gehören zu einer Klasse von Strukturen namens extrachromosomale Elemente oder ECEs, die außerhalb der Chromosomen zu finden sind, die den größten Teil des genetischen Materials eines Organismus enthalten.
ECEs sind riesig und selbstreplizierend und können innerhalb oder außerhalb der Zellkerne gefunden werden; Beispiele beinhalten Plasmide und virale DNA.
„Wir können weder beweisen, dass es sich um archaische Viren, Plasmide oder Mini-Chromosomen handelt, noch können wir beweisen, dass dies nicht der Fall ist.“ schreiben die Forscher in ihrer Arbeit .
Die Borgs sind jedoch viel größer als andere ECEs. laut Banfield : ein Drittel der Größe ihrer Wirtsmikroben.
Die Sequenzierung ergab, dass die von ihnen gefundenen Borg Merkmale mit einer Archaeengattung namens „ Methanoperedens die Methan oxidieren, was darauf hindeutet, dass die Strukturen mit diesen bestimmten Mikroben in Zusammenhang stehen könnten. Tatsächlich könnten die Borgs entscheidend an diesem Prozess beteiligt sein.
Dies ist für Wissenschaftler wie Banfield von Interesse, da der Prozess die Methanmenge in der Atmosphäre reduziert. Da Methan ein starkes Treibhausgas ist, könnte die Kenntnis der Funktionsweise von Mikroben Auswirkungen auf die Klimawissenschaft haben.
Jedoch, Methanoperedens kann nicht in einer Laborumgebung gezüchtet werden - jedenfalls noch nicht. Ein Problem mit Umwelt-DNA besteht darin, dass sie durch anderes genetisches Material in derselben Umgebung kontaminiert werden kann.
Tatsächlich scheinen Borg viele Gensequenzen anderer Elemente und Mikroben gemeinsam zu haben; Die Forscher interpretieren dies so, dass die ECEs diese Gene und Elemente absorbiert und assimiliert haben – daher der Name, nach der außerirdischen Hive-Mind-Rasse von Star Trek .
Es ist jedoch möglich, dass diese gemeinsamen Gene ein Beweis für eine Umweltverschmutzung sind. Bis Methanoperedens Obwohl sie in einem Labor gezüchtet werden können, isoliert von diesen kontaminierenden Einflüssen, ist es möglicherweise nicht möglich, diese genetischen Strukturen definitiv als neue Entdeckung zu bezeichnen.
Dennoch ist der Befund faszinierend. Wenn es die Borgs gibt, könnten sie die Kapazität dafür erhöhen Methanopederens 'Fähigkeit, Methan zu oxidieren. Dies deutet darauf hin, dass unbekannte Prozesse im Spiel sein könnten und dass diese ECEs eine bisher unbekannte Rolle bei der Regulierung der Atmosphäre spielen.
„Borgs tragen zahlreiche Stoffwechselgene, von denen einige Varianten von Methanoperedens-Proteinen produzieren, die unterschiedliche biophysikalische und biochemische Eigenschaften haben könnten.“ schreiben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Angenommen, dass sich diese Gene ausdehnen und verstärken.“ Methanoperedens „Borgs können aufgrund ihres Energiestoffwechsels weitreichende biogeochemische Folgen haben, einschließlich der Verringerung des Methanflusses, mit wichtigen und unerwarteten Auswirkungen auf das Klima.“
Die Ergebnisse sind auf der Preprint-Seite verfügbar bioRxiv .