在我们脚下只有一两米的地方住着丰富的 微生物 他们的财富在很大程度上仍未被开发。 这是一个领域 菌, 类似细菌的生物称为 古 和真菌混合在一起 病毒 和其他无生命的碎片 的DNA 或 DNA——都生活在彼此之中或之上。
在那个外星世界，研究人员现在发现了不完全是病毒的大 DNA 分子，它们是 DNA 或 RNA 包装成 蛋白质，但这似乎已经感染了古细菌，并在此过程中获得了大量 基因 来自他们的古菌宿主。
研究人员将这些微生物称为 Borgs，因为类似于《星际迷航》世界中虚构的 Borg 外星人，它们会同化它们感染的微生物碎片。
事实上，现实生活中的 Borgs 包含基因之间甚至基因内部的重复 DNA 序列，类似于细菌中的成簇规则间隔短回文重复序列 CRISPR 它的名字，使 吉尔班菲尔德 加州大学伯克利分校的教授怀疑 Borgs 的应用可能同样具有革命性。 Banfield 是加州大学伯克利分校地球与行星科学和环境科学政策与管理教授，也是劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的教授科学家，他是本周期刊上一篇关于 Borgs 的论文的资深作者 自然.
“想象一个陌生的外来实体，既不生也不死，吸收并共享重要基因。 ……一个浮动的工具箱，可能充满了蓝图，我们有朝一日可能会利用这些蓝图，比如 CRISPR，” 班菲尔德发推文 去年，在她将论文的预印本上传到 bioRxiv 之后。
Banfield 于 2006 年首次将细菌 CRISPR 系统引起了加州大学伯克利分校的同事 Jennifer Doudna 的注意。Doudna 是加州大学伯克利分校的化学和分子与生物学教授 细胞 生物学和 RNA 专家，随后与法国研究员 Emmanuelle Charpentier 合作探索 CRISPR 系统和 酶 被称为 Cas9 在细菌中工作，并将酶变成了一种强大的研究工具，使 Doudna 和 Charpentier 获得了 2020 年诺贝尔化学奖。
虽然 Borgs 太新了，无法确切知道他们是什么以及他们可能透露的秘密，但 Banfield 很乐观。
她在 10 年的 Twitter 帖子中写道：“这一发现始于对大约 2021 亿个 DNA 片段的分析，并在深泥中发现。” “这种方法可能会揭示一些具有潜在全球影响的东西！ ...... 2021 年，我将再次与 Jennifer Doudna (@doudnalab) 坐在桌子对面，我们将讨论如何开始探索这一发现的技术和环境重要性。”
在一个 自然 评论 关于这篇论文，澳大利亚昆士兰大学的克里斯蒂安·林克（Christian Rinke）写道：“看看博格人是否会影响其原生栖息地的碳循环，尤其是在甲烷消耗方面，这将是令人兴奋的。 可能与《星际迷航》中的那些人相比，我们宇宙中的博格人使用同化来拯救而不是征服一个世界。”
一些古细菌产生甲烷； 其他人吃掉它
在 自然 论文，Banfield、博士生 Basem Al-Shayeb、博士后研究员 Marie Schoelmerich 和他们的同事描述了他们从测序 Borg DNA 和他们的古细菌宿主的 DNA 中了解到的关于 Borgs 的知识。
所有 19 博格 基因组 它们在论文中包含的基因似乎可以增强宿主古菌在土壤中收获资源的能力，例如代谢甲烷或固氮。 这可能允许宿主在各种环境条件下调节其代谢能力，当甲烷或氮特别丰富时加快古细菌的新陈代谢。
甲烷是湿地土壤中的常见成分，由产甲烷古菌在缺氧即厌氧条件下产生。 但是，当氧气可用时，一些细菌也会消耗甲烷，当氧气不可用时，某些古细菌也会消耗甲烷。 Borgs 的甲烷消耗古菌逆转了产生甲烷的古菌所使用的过程，以便食用甲烷并将其转化为它们生存所需的复杂碳水化合物。 在 Borgs 中发现的甲烷氧化基因似乎是从它们的古菌宿主中获得的，这些宿主都来自该家族 甲烷操作菌。
研究人员怀疑 Borgs 可能在底土中发挥了巨大的作用，加快了宿主对甲烷的去除和对氮的固定 甲烷操作菌. 如果是这样，在他们的古菌甲烷食用宿主内增加博格人的数量可以帮助从大气中去除甲烷——一种比二氧化碳强 30 倍的温室。
“现在，微生物是地球的甲烷汇，”Al-Shayeb 说。 “它们非常普遍，例如，在稻田和农田以及这些厌氧、非常低氧的环境中，它们有助于从环境中去除甲烷。 在农业或甲烷减排方面的可能应用非常令人兴奋——也许有一天它会为减缓气候变化铺平道路。”
目前，没有人能够种植含 Borg 甲烷操作菌 实验室中的古细菌。 但创新领域的研究人员 基因组学 Doudna 与他人共同创立的研究所 (IGI) 现在是世界领先的 CRISPR 研究中心，致力于改变这种状况。
在 2021 年的 IGI 视频中，博士后 Marie Schoelmerich 和博士生 Basem Al-Shayeb 讨论了他们对 Borgs 的发现——一种存在于微生物中的神秘 DNA 元素，其中包含甲烷分解所需的基因。
“我们正在建立生物反应器，其中包含来自我们能够找到 Borgs 的地点的土壤核心。 然后我们将用甲烷孵化这些土壤，我们将尝试建立一个稳定的社区并理想地丰富博格和 甲烷操作菌 在实验室中，跟进我们的假设，即它们正在增加甲烷氧化率，”Schoelmerich 说。
研究人员在对各种地下环境中微生物群落的基因组进行测序后发现了 Borgs，这些环境包括北加州的春季水池和科罗拉多州 Rifle 修复地点的土壤。 此后，他们在采样的许多缺氧环境中发现了它们。
Borg DNA 从细菌和古生菌的典型基因组以及其中的其他生命形式中脱颖而出：病毒，通常是由蛋白质包裹的短 DNA 或 RNA，以及 质粒，它们是形成环并生活在大多数细菌内部的短 DNA。
“我们很长一段时间都在摸索，试图确定这是否是质粒，是否是 病毒，”Al-Shayeb 说。 “通过消除过程，我们认为它不适合任何一个桶。”
一方面，Borg 基因组非常庞大，多达 1.4 万个 碱基对 in length — 整个长度的三分之一 甲烷操作菌 基因组。将此与病毒基因组进行比较，病毒基因组只有病毒基因组的十分之一，或圆形质粒，通常有数万个 基地 长度成对。还有每一个 甲烷操作菌 Schoelmerich 说，细胞可以包含许多单独的 Borg——有时超过 XNUMX 个——这意味着组合的 Borg 基因组远远超过其宿主基因组的大小。
博格人还含有许多与其宿主古生菌相同的 DNA。
“我们发现博格人和宿主之间共享的基因更多 甲烷操作菌 比以前描述的不同 Borgs 或任何其他类型的额外染色体遗传元件之间共享的基因要多，”Al-Shayeb 说。 “以及与之共享的基因 甲烷操作菌 包括许多代谢基因：涉及固氮、甲烷氧化、甚至细胞外电子转移的基因。”
每个 Borg 都编码一组独特的蛋白质，可能随着时间的推移从各种古细菌宿主中提取。
“有证据表明，不同类型的博格人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。
目前尚不清楚博格人为什么或如何同化这些基因，以及博格人对宿主有什么影响——积极的还是消极的。 但 Schoelmerich 表示，一个细胞内所有 Borg 的总基因组大小将是一个负担，因此可能会给宿主带来一些好处。
更多博格基因组
班菲尔德和她的团队发布了一个 预印本 五月份在 bioRxiv 上详细介绍了另外六个 Borg 基因组，当时 班菲德发推文：“今天我们为博格人揭开了 6 个新的抛光基因组，博格人是在黑暗、寒冷、潮湿的土壤的微观宇宙中发现的神秘的非生物实体。”
预印本的第一作者 Schoelmerich 主要关注 Borgs 中的 DNA 重复序列，这类似于 CRISPR 中的串联重复序列，并且在 Borgs 中似乎进化得很快，在蛋白质中产生了无序的区域——就像随机组装的乐高玩具缺乏任何连贯的结构——可以帮助博格人快速适应宿主细胞内不断变化的环境。
“我们认为 Borg 基因组迅速进化以微调其与特定宿主的关联，”Schoelmerich 说。 “这些串联重复区域可以成为确保这种特定关联的机制。”
还有很多工作要确定博格在土壤环境中以及在土壤环境中所扮演的角色。 甲烷操作菌 古细菌，以及它们是否可以被调整以应对气候变化。
“我们有可能丰富包含 Borg 的 甲烷操作菌 自然地在土壤中，并改变现在在甲烷生产方面的热力学平衡并将其推回，因此它更多地在甲烷消耗方面，“Schoelmerich说。 “如果我们能够更多地了解新陈代谢以及它们实际上如何能够氧化甲烷，以及博格等其他元素在其中发挥作用，那么也许我们可以扭转甲烷排放。 这将是惊人的。 我们对此感到兴奋。”
其他合著者 自然 论文是加州大学伯克利分校的 Doudna、Jacob West-Roberts、Luis Valentin-Alvarado、Rohan Sachdeva、Susan Mullen 和 Alexander Crits-Christoph； 科罗拉多州立大学的迈克尔威尔金斯； 和伯克利实验室的肯尼斯·威廉姆斯。 该研究得到了美国能源部 (DEAC02-05CH11231)、Chan Zuckerberg Biohub 和创新基因组学研究所的支持。
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安迪·默多克，andymurdock@berkeley.edu
