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能同化其他种族的神秘物质,真的降临到了地球?

近日,研究人员在自家后院的泥土中发现了一种超长的DNA结构,推测是一种染色体外元件(ECE)。它们一个神奇的特性就是可以“同化”其他物种的DNA结构形式,科学家发现了它包含其他生物的关键基因。这种能力堪比著名科幻作品《星际迷航》中的外星种族“博格人”,因此这种DNA也因此得为“博格”。关于“博格”,仍有许多问题值得探索。
 
撰文 | 顾舒晨
 
在科幻片《星际迷航》中,有一个叫作“博格人(Borg)”的邪恶外星种族,他们具有极强的适应能力,虽然他们自己不能繁殖,却能通过同化其他种族以维持自身种族的存续。他们希望通过同化一切可以遇到的种族,使自己的种族至臻完美。一旦遭到其它种族的抵抗,博格人就会搬出他们的口头禅:抵抗是无效的(Resistance is futile)。然而你肯定想不到,这种天方夜谈似的外星种族“博格人”,也有个地球变种,就“潜伏”在我们身边!
被博格人同化的皮卡尔舰长丨图源:CBS
 
近日,美国加州大学伯克利分校的Jill Banfield教授团队在预印本平台bioRxiv上发表题为“Borgs are giant extrachromosomal elements with the potential to augment methane oxidation(“博格”是一种巨大的染色体外元件,具有增强甲烷氧化的潜力)”的研究论文。论文介绍了Banfiled教授的研究团队从美国西部的泥土样本中发现了一种新的能够“同化”环境中不同微生物基因的DNA结构形式,从而引发了学界的普遍关注,包括《科学》与《自然》等期刊杂志也齐齐报道了这一前所未见的发现。有意思的是,“博格”这个名字是Banfield教授喜爱科幻的儿子在感恩节晚餐上的提议,一语中的。
 
Jillian Banfield教授曾因细菌与物质在地球极端环境下的行为研究而获得过2011年度世界杰出女科学家奖。她的主要研究方向是微生物与矿物之间的关系,从这两个乍看下大相径庭的研究领域中,Banfield教授发现了这两个领域互动的奥秘,提出了许多独特的见解,她甚至引证出微生物具有影响侵蚀作用等大规模地质学变动过程,以及从石块中构建特殊物质的能力。因此这一次“博格”DNA的发现,也引发了热议,大家都期待着Banfield教授能给学界带来新的研究突破。
 
Banfield教授的课题组原计划研究能降解甲烷的古细菌,以及能感染这类古细菌并影响其甲烷降解能力的病毒。古细菌大多生活在厌氧环境下,研究人员需要挖一米多深的坑才能获得所需的样本。这些泥土样本将被带回实验室做测序分析,再通过计算机运算获取每一条DNA序列,并从中寻找来自病毒的DNA。
 
这次“博格”DNA的发现却纯属偶然。在一份来自研究人员自家后院的泥土样本中,他们发现了一段超长的DNA,而且其中暗藏大量前所未见的新基因。不仅如此,这段DNA还有着非常特殊的结构,它们的头和尾有着近乎镜像的DNA序列,在基因之间也有特殊的重复序列。此外还有可供DNA启动复制的序列,表明此类DNA有进行自我复制的潜力。综合这些发现,科学家认为这种DNA并不是随机产生的。而且在检索了大量数据库后,研究人员发现了23种潜在的“博格”DNA,其中19种与首个被发现的“博格”DNA具有一样的特性,它们均来自科罗拉多州和加利福尼亚州的湿地泥土。
研究人员在收集土壤里的DNA样本丨图源:JILL BANFIELD
 
通过进一步研究,研究人员认为“博格”DNA是染色体外的DNA,是一种染色体外元件(extrachromosomal element,ECE)。所谓染色体外元件,就是染色体外的DNA,它们存在于许多宿主微生物中。大多数微生物有一条或两条染色体用于遗传编码,但除了染色体内的DNA外还有一些染色体外DNA的存在,例如线粒体DNA,以及已成重要科研工具的质粒,它们携带着某些非必需但有益的基因与宿主微生物共存。ECE大多是环状、裸露的,也有少部分是线性的,能在细胞内能独立进行复制。它们有些是细胞生命活动所必需的,如线粒体、叶绿体;有些能够赋予细胞某种特性,如细菌质粒的抗药性基因、放毒型草履虫的卡巴粒等。
 
至于“博格”DNA的作用是什么,研究人员推测可以参与代谢甲烷。序列分析显示,“博格”DNA似乎与一种名为Methanoperedens的古细菌相关,“博格”DNA同化的基因中就有一些基因来自这种古菌的染色体。这类古细菌能够消化并代谢甲烷,而“博格”DNA似乎也参与了这一过程。因此,科学家们认为“博格”DNA还可能帮助对抗气候的变化——甲烷是仅次于二氧化碳的第二大人为制造温室气体,约占全球温室气体排放量的20%,而含有“博格”DNA的微生物的生长将能够分解大量的甲烷。但是,由于目前科学家们还无法在实验室里培养出这种古细菌,所以“博格”结构可能被古细菌用来处理甲烷的结论仅仅是基于基因测序数据的推测。
 
除了许多与Methanoperedens古细菌相关的基因外,“博格”DNA中还含有很多其他重要的基因,例如一些对于代谢至关重要的基因。另外,“博格”DNA还具有一些独有的特性。首先,正如前文所述,它尺寸巨大,其长度在60-100万对DNA碱基之间,已接近真核生物染色质长度的三分之一,要知道一般的ECE的也只在大小在50~1000对碱基之间。这是区别于其他片段的重要特征。其次,“博格”DNA是线性的,而不是像许多ECE那样是环状。最后,“博格”DNA的两端都有镜像重复序列,在基因内部和基因之间也存在许多其它的重复序列。
扫描电子显微镜图像显示,博格氏菌似乎与被称为古菌的单细胞微生物有关丨图源:Eye of Science/SPL
 
虽然“博格”DNA的发现使得一些研究人员异常兴奋,但这项工作还没有经过同行评审在正式的杂志上发表。因此,研究人员认为我们需要更谨慎的对待这一发现,并提出了一些其他的可能性。华盛顿州西雅图系统生物学研究所(Institute for Systems Biology)的生物学家Nitin Baliga认为,当研究人员像Banfield的团队那样筛选许多基因组的碎片并将它们拼凑在一起时,有可能会出现错误。他认为“博格”DNA只有在培养的Methanoperedens古细菌中被发现才能被确认。另外,单从“博格”DNA的结构特征上看,它可能与其它大型ECE的特征重叠,例如某些嗜盐古菌(salt-loving archaea)中的元件。因此Baliga认为,“博格”DNA结构的新颖性在现阶段仍值得商榷。阿根廷图库曼微生物工业过程试验工厂(Pilot Plant for Microbiological Industrial Processes)的微生物学家Julián Rafael Dib认为博格结构类似于在土壤栖息的放线菌中发现的巨大线性质粒。还有另外一些看似疯狂的解释,比如“博格”DNA来自某种未知的微生物,随后被其它古细菌所同化,正如线粒体被真核细胞所同化一般。又或者,这些“博格DNA”本身是一种巨型病毒……
 
目前,研究团队正在研究“博格”DNA的功能及其DNA重复序列的作用。DNA重复序列对微生物来说非常重要,例如细菌和古菌对抗病毒的免疫防御系统——CRISPR-Cas系统。该系统中被称为CRISPR阵列的重复结构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,以此“记住”病原体,以便在未来抵御它们。CRISPR目前已经成为了一种强大的基因编辑技术,正改变着生命科学研究领域乃至人类世界。Banfield教授的预印本共同作者Jennifer Doudna教授也因研究CRISPR基因编辑而获得了2020年诺贝尔化学奖,她们未来的合作也将致力于研究“博格”DNA所具有的类似的工具化潜力。
 
虽然目前为止,我们依然不知“博格”DNA究竟是什么,它的功能是什么,但值得注意的是,研究人员发现“博格”DNA能够同化不同来源的基因,“博格”DNA的存在说明了一个事实——很多遗传元件能在不同染色体间,甚至不同物种间“跳跃”,从而让生命更好地适应环境。这也正体现了生命的奇妙之处。科学的魅力就在于探索未知,发现未知,希望在不远的未来我们也能知道“博格”DNA何时会向其它物种说出那一句经典的台词“抵抗是无效的”。
 
参考资料
 
[1] Basem Al-Shayeb et al., (2021), Borgs are giant extrachromosomal elements with the potential to augment methane oxidation, bioRxiv, DOI: https://doi.org/10.1101/2021.07.10.451761
 
[2] Mysterious DNA sequences, known as ‘Borgs,’ recovered from California mud, Retrieved July 19, 2021, from https://www.sciencemag.org/news/2021/07/mysterious-dna-sequences-known-borgs-recovered-california-mud
 
[3] Massive DNA ‘Borg’ structures perplex scientists, Retrieved July 19, 2021, from https://www.nature.com/articles/d41586-021-01947-3



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