Загадочные последовательности ДНК извлечены из калифорнийской грязи

Загадочные последовательности ДНК извлечены из калифорнийской грязи

Загадочные последовательности ДНК, известные как борги, извлеченные из калифорнийской грязи.

В “Звездном пути” борги – кибернетические инопланетяне, которые ассимилируют людей и других существ как средство достижения совершенства. Поэтому, когда Джилл Бэнфилд, геомикробиолог из Калифорнийского университета в Беркли, просеяла ДНК в грязи своего заднего двора и обнаружила странную линейную хромосому, содержащую гены различных микробов, ее сын Трекки предложил назвать ее в честь научно-фантастического фильма. Новый тип генетического материала был загадкой. Может быть, это часть вирусного генома. Может быть, это была странная бактерия. Или, может быть, это был просто независимый фрагмент ДНК, который существует вне клеток. В любом случае, это “довольно интересно”, – говорит Форд Дулитл, эволюционный биолог из Университета Далхаузи, который не принимал в этом участия.

Исследователи обнаружили много примеров ДНК, плавающей независимо вне хромосомы или хромосом, составляющих стандартный геном организма. Например, небольшие петли, называемые плазмидами, существуют внутри микробов и несут гены, которые предотвращают распространение антибиотиков среди различных типов бактерий.

Но Банфилд не искала ДНК, которая могла бы перемещаться между организмами. Вместо этого она и аспирант Бассем Аль-Шайеб искали вирусы, которые заражают архей, тип микроба, который часто встречается в местах, лишенных кислорода. Они копали на глубину 1 метр или более и собирали образцы грязи, которые могли содержать археи и их вирусы. Затем они будут секвенировать каждый фрагмент ДНК в образцах и использовать сложные компьютерные программы для сканирования последовательностей, которые представляют вирус, а не какой-либо другой организм.

“Мы начали с куска грязи и 10 триллионов фрагментов ДНК”, – говорит Банфилд. Один образец, взятый из грязи на его территории, содержал заполненный генами участок ДНК длиной почти в 1 миллион оснований и более половины генов были новыми. Этот линейный участок ДНК также имел четкий рисунок оснований в начале и в конце, отдельные участки повторяющейся ДНК между его генами и два места вдоль последовательности, где могло начаться дублирование ДНК, указывающее на то, что Борг мог создавать копии самого себя. Взятые вместе, это говорит о том, что это не просто случайная смесь генов.

После того, как они идентифицировали первую последовательность Борга, исследователи начали сканировать микробную ДНК в общедоступных базах данных, чтобы узнать, могут ли они найти что-нибудь подобное. Они обнаружили несколько вариантов подземных вод из Колорадо, где первый предполагаемый Борг был найден на глубине около 1 метра и стал более многочисленным на глубине. Другие версии были найдены в ДНК из заброшенной ртутной шахты в Напе, Калифорния, и из неглубокого русла Ист-Ривер в Колорадо.

В общей сложности исследователи идентифицировали 23 последовательности, которые, по их мнению, могут быть боргами, и 19, которые они идентифицировали как имеющие все характеристики первого Борга, которого они обнаружили, они публикуют на этой неделе на сервере препринтов bioRxiv. Некоторые из них имеют длину почти 1 миллион баз. “Я не думаю, что что-либо еще, что было обнаружено, так же велико, как эти ребята”, – говорит Дулитл среди ранее известных элементов внехромосомной ДНК.

Повсюду были найдены копии Борга вместе с ДНК, связанной с окисляющим метан археоном, называемым Methanoperedens. Это говорит о том, что борги могут существовать внутри микроба, говорят исследователи. Но поскольку метанопередены нельзя выращивать в лаборатории, команда не смогла подтвердить это подозрение. Между тем, члены команды исключили возможность того, что Борг произошел от другого микроба, поскольку у них отсутствуют многие гены, необходимые для жизни, или вирус, который обычно имеет более короткие хромосомы.

Но Грэм Хэтфулл, микробиолог из Питтсбургского университета, задается вопросом, могут ли существовать другие крупные вирусы, подобные вирусам, которые вторглись в бактерии, которые он помог обнаружить, и которые заражают архей. Может ли Борг быть частью таких вирусов? Он признает, что это будет нелегко продемонстрировать. “Если вы хотите узнать о биологии Борга, это действительно сложно с экспериментальной точки зрения.  Находка подтверждает идею о том, что многие генетические элементы могут перемещаться между хромосомами организма или между организмами, сказал он, что облегчает создание новых генов для адаптации к изменениям в окружающей среде.

Каждый Борг, теперь названный в честь таких цветов, как “оливковый” и “сиреневый”, включает в себя не только новые гены, но и узнаваемые гены, функции которых уже известны ученым. Например, некоторые из них содержат гены, важные для переработки метана; такие гены, по-видимому, были получены от определенных микробов, таких как метанопередены. Поскольку метан является парниковым газом, который многие микробы либо разрушают, либо производят, исследователи предполагают, что борги могли бы повлиять на этот цикл, увеличив способность своего хозяина перерабатывать метан.

Банфилд говорит, что она и ее коллеги на самом деле не знают, как возник Борг, но они подозревают, что последовательности ДНК когда-то были геномами близкого родственника метанопереденов, которые были извлечены и начали жить внутри археи. В конце концов, внутри микроба остается только ДНК, которая теперь сильно модифицирована, но отделена от его собственной хромосомы.

Банфилд надеется, что открытие ее команды побудит других исследователей искать боргов в их любимых микробах, особенно в тех, которые встречаются в средах с небольшим количеством кислорода или вообще без него. И Хэтфулл предсказывает, что помимо метанопереденов будут обнаружены новые микробы. Тем временем он и другие исследователи с нетерпением ждут рецензируемой версии статьи Банфилда и подтверждающей экспериментальную работу над Боргами. “Кто они такие?” – спрашивает Дулитл. “Это интересный вопрос, на который нужно ответить.”

Читайте также: