Sólo uno o dos metros por debajo de nuestros pies habita una gran cantidad de microbios cuyas riquezas permanecen en gran parte inexploradas. Es un reino donde bacterias fotosintéticas, organismos parecidos a las bacterias llamados arqueas y los hongos se mezclan con virus y otros pedazos no vivos de letra singular o ADN, todos viviendo con, dentro o sobre los demás.
En ese mundo alienígena, los investigadores ahora han encontrado grandes moléculas de ADN que no son exactamente virus, que son ADN o moléculas de ARN envuelto en proteínas, pero que parecen haber infectado arqueas y adquirido en el camino una gran cantidad de los genes de sus anfitriones arqueales.
Los investigadores llamaron a estos microbios Borgs porque, de manera análoga a los extraterrestres Borg ficticios del mundo de Star Trek, asimilan partes de los microbios que infectan.
El hecho de que los Borg de la vida real contengan secuencias de ADN repetitivas entre genes e incluso dentro de genes, análogas a las repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas en bacterias que dieron CRISPR su nombre, hace Jill Banfield de la Universidad de California, Berkeley, sospecha que puede haber aplicaciones de Borgs que sean igual de revolucionarias. Banfield, profesor de ciencias terrestres y planetarias de UC Berkeley y de políticas y gestión de ciencias ambientales y científico de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), es el autor principal de un artículo sobre Borgs que aparece en la edición de esta semana de la revista. Naturaleza.
“Imagina una extraña entidad extranjera, ni viva ni muerta, que asimila y comparte genes importantes. … Una caja de herramientas flotante, probablemente llena de planos, algunos de los cuales algún día podremos aprovechar, como CRISPR”. Banfield tuiteó el año pasado después de que subió una versión preliminar del artículo a bioRxiv.
Banfield llamó la atención por primera vez sobre el sistema bacteriano CRISPR a la colega de UC Berkeley, Jennifer Doudna, en 2006. Doudna, profesora de química y de ciencias moleculares y (SCD por sus siglas en inglés), biólogo y experto en ARN, posteriormente se asoció con la investigadora francesa Emmanuelle Charpentier para explorar cómo el sistema CRISPR y un enzima , que son Cas9 trabajó en bacterias y convirtió la enzima en una poderosa herramienta de investigación que le valió a Doudna y Charpentier el Premio Nobel de Química 2020.
Si bien los Borg son demasiado nuevos para saber exactamente qué son y qué secretos pueden revelar, Banfield es optimista.
“Este descubrimiento comenzó en lodo profundo y salió a la luz mediante un análisis de alrededor de 10 mil millones de fragmentos de ADN”, escribió en su hilo de Twitter de 2021. “¡Que tal enfoque podría revelar algo con ramificaciones potencialmente globales! … En 2021, me sentaré nuevamente a la mesa con Jennifer Doudna (@doudnalab) y hablaremos sobre cómo podríamos comenzar a explorar la importancia tecnológica y ambiental de este descubrimiento”.
En un Naturaleza comentario Sobre el artículo, Christian Rinke de la Universidad de Queensland en Australia escribió: “Será emocionante ver si los Borg afectan el ciclo del carbono en sus hábitats nativos, en particular con respecto al consumo de metano. Puede ser que, en contraste con los de Star Trek, los Borg en nuestro Universo usen la asimilación para salvar en lugar de conquistar un mundo”.
Algunas arqueas generan metano; otros se lo comen
En Los Naturaleza artículo, Banfield, el candidato a doctor Basem Al-Shayeb, la becaria postdoctoral Marie Schoelmerich y sus colegas describen lo que han aprendido sobre Borgs al secuenciar el ADN de Borg y el ADN de sus anfitriones arqueales.
Todos los 19 Borg de sus genomas que incluyen en el documento contienen genes que parecen mejorar la capacidad de sus arqueas anfitrionas para recolectar recursos en el suelo, como metabolizar metano o fijar nitrógeno. Esto puede permitir que el huésped module su capacidad metabólica en diversas condiciones ambientales, acelerando el metabolismo de las arqueas cuando el metano o el nitrógeno son particularmente abundantes.
El metano es un ingrediente común en los suelos de los humedales, producido por arqueas metanogénicas cuando el oxígeno está ausente, es decir, en condiciones anaeróbicas. Pero algunas bacterias también consumen metano cuando hay oxígeno disponible, al igual que ciertas arqueas cuando no hay oxígeno disponible. Las arqueas consumidoras de metano que albergan a Borgs revierten el proceso utilizado por las arqueas productoras de metano para comer metano y convertirlo en los carbohidratos complejos que necesitan para sobrevivir. Los genes para la oxidación del metano que se encuentran en Borgs parecen haber sido adquiridos de sus anfitriones arqueales, que son todos de la familia Metanooperedens.
Los investigadores sospechan que los Borg pueden desempeñar un papel descomunal en el subsuelo, acelerando la eliminación de metano y la fijación de nitrógeno por parte de su anfitrión. Metanooperedens. Si es así, mejorar la población de Borgs dentro de sus anfitriones arqueales que se alimentan de metano podría ayudar a eliminar el metano, un efecto invernadero 30 veces más potente que el dióxido de carbono, de la atmósfera.
“En este momento, los microbios son el sumidero de metano del planeta”, dijo Al-Shayeb. “Son muy frecuentes, por ejemplo, en arrozales y en tierras de cultivo y en estos ambientes anaeróbicos con muy poco oxígeno, y contribuyen a la eliminación de metano del medio ambiente. Las posibles aplicaciones en la agricultura o en la reducción de metano son muy emocionantes; tal vez algún día allane el camino para hacer mella en el cambio climático”.
Por el momento, nadie ha sido capaz de hacer crecer Borg-que contiene Metanooperedens arqueas en el laboratorio. Pero los investigadores de Innovative Genómica Institute (IGI), que Doudna cofundó y ahora es el principal centro de investigación CRISPR en el mundo, se centran en cambiar eso.
En un video del IGI de 2021, la posdoctoral Marie Schoelmerich y el candidato a doctorado Basem Al-Shayeb discutieron su descubrimiento de Borgs, elementos misteriosos de ADN que residen en microorganismos y que contienen genes necesarios para la descomposición del metano.
“Estamos instalando biorreactores que contienen núcleos de suelo del sitio donde pudimos encontrar Borgs. Y luego vamos a incubar estos suelos con metano, y vamos a intentar conseguir una comunidad estable e idealmente enriquecedora para Borgs y Metanooperedens en el laboratorio, para dar seguimiento a nuestras hipótesis de que están aumentando las tasas de oxidación del metano”, dijo Schoelmerich.
Los investigadores descubrieron Borgs después de secuenciar los genomas de las comunidades microbianas en varios entornos subterráneos, incluidas las piscinas primaverales en el norte de California y el suelo de un sitio de remediación en Rifle, Colorado. Desde entonces, los han encontrado en muchos entornos pobres en oxígeno que han muestreado.
El ADN de Borg se destacó como único de los genomas típicos de bacterias y arqueas y las otras formas de vida que habitan entre ellos: virus, que generalmente son fragmentos cortos de ADN o ARN encapsulados por proteínas, y plásmidos, que son trozos cortos de ADN que forman anillos y viven dentro de la mayoría de las bacterias.
“Estuvimos rascándonos la cabeza durante mucho tiempo tratando de determinar si esto es un plásmido, si es un virus”, dijo Al-Shayeb. “A través de un proceso de eliminación, decidimos que no encajaba en ninguno de los cubos”.
Por un lado, los genomas Borg eran enormes, con un rango de hasta 1.4 millones pares de bases de longitud: un tercio de la longitud de todo el Metanooperedens genoma. Compárese esto con los genomas de los virus, que son una décima parte del tamaño, o con los plásmidos circulares, que suelen tener decenas de miles de bases pares de longitud. Y cada Metanooperedens La célula puede contener muchos Borg separados, a veces más de ocho, dijo Schoelmerich, lo que significa que los genomas Borg combinados superan con creces el tamaño del genoma de su huésped.
Los Borg también contienen mucho del mismo ADN que en sus arqueas anfitrionas.
“Descubrimos que había más genes compartidos entre los Borg y el anfitrión Metanooperedens que hubo genes compartidos entre los diferentes Borgs o cualquier otro elemento genético extracromosómico que se describió anteriormente”, dijo Al-Shayeb. “Y los genes que fueron compartidos con Metanooperedens incluía muchos genes del metabolismo: genes relacionados con la fijación de nitrógeno, con la oxidación del metano, incluso con la transferencia extracelular de electrones”.
Y cada Borg codifica un conjunto único de proteínas, quizás recogidas de varios anfitriones arqueales a lo largo del tiempo.
“Hay evidencia de que diferentes tipos de Borgs a veces coexisten en el mismo host Metanopreredens célula. Esto abre la posibilidad de que los Borg puedan estar propagando genes entre linajes”, dijo Banfield.
Todavía no está claro por qué o cómo Borgs asimiló estos genes y qué efecto, positivo o negativo, tiene Borgs en su huésped. Pero Schoelmerich dijo que el tamaño total del genoma de todos los Borg dentro de una célula sería una carga y, por lo tanto, probablemente ofrecería algún beneficio al huésped.
Más genomas de Borg
Banfield y su equipo publicaron un preprint detallando seis genomas Borg adicionales en bioRxiv en mayo, cuando Banfied tuiteó: “Hoy revelamos 6 nuevos genomas pulidos para Borgs, enigmáticas entidades no vivas que se encuentran en el universo microscópico del suelo oscuro, frío y húmedo”.
Schoelmerich, primer autor de la preimpresión, se enfoca principalmente en las secuencias repetitivas de ADN en Borgs, que se asemejan a repeticiones en tándem en CRISPR, y en Borgs parecen evolucionar rápidamente, generando regiones desordenadas en proteínas, como Legos ensamblados al azar que carecen de una estructura coherente, que puede ayudar a Borgs a adaptarse rápidamente a un entorno cambiante dentro de su célula anfitriona.
“Creemos que el genoma Borg evoluciona rápidamente para afinar su asociación con el huésped específico”, dijo Schoelmerich. "Estas regiones repetidas en tándem pueden ser un mecanismo mediante el cual se garantiza esta asociación específica".
Queda mucho trabajo por hacer para determinar exactamente qué papel juegan los Borg en el entorno del suelo, así como dentro del Metanooperedens archaea, y si se pueden modificar para abordar el cambio climático.
"Es posible que podamos enriquecer a los Borg que contienen Metanooperedens en los suelos de forma natural y cambiar ese equilibrio termodinámico que ahora está del lado de la producción de metano y empujarlo hacia atrás para que esté más del lado del consumo de metano”, dijo Schoelmerich. “Si podemos entender más sobre el metabolismo y cómo son realmente capaces de oxidar el metano, y qué otros elementos, como Borgs, juegan un papel en esto, entonces tal vez podamos revertir las emisiones de metano. Eso sería sorprendente. Estamos emocionados por eso”.
Otros coautores del Naturaleza papel son Doudna, Jacob West-Roberts, Luis Valentin-Alvarado, Rohan Sachdeva, Susan Mullen y Alexander Crits-Christoph de UC Berkeley; Michael Wilkins de la Universidad Estatal de Colorado; y Kenneth Williams de Berkeley Lab. La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU. (DEAC02-05CH11231), Chan Zuckerberg Biohub y el Innovative Genomics Institute.
Comunicaciones por los medios:
Andy Murdock, andymurdock@berkeley.edu
