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同化能力惊人!科学家在泥土中发现未知染色体,包含多种微生物的遗传物质

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前瞻网 2021-07-19 21:00

在电视剧《星际迷航》(Star Trek)中,博格人(Borg)是一种霸道的外星人,他们通过同化人类和其他生物来达到完美。

当加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的地球微生物学家吉尔·班菲尔德(Jill Banfield)在自家后院的泥土中筛选DNA时,发现了一种奇怪的线性染色体,其中包含多种微生物的基因与遗传物质,最终这种未知染色体被命名为“博格”(Borg)。

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这种新型遗传物质是一个谜——它也许是病毒基因组的一部分,也许是一种奇怪的细菌,或者它只是细胞外的一个独立的DNA片段。无论它是什么,这种能从环境中的微生物中清除和同化基因的特征,都是“相当令人兴奋的”。

研究人员已经发现了许多DNA独立漂浮在构成生物体标准基因组的染色体或染色体外的例子。例如,一种叫做质粒(plasmids)的小环存在于微生物内部,它携带基因,在不同种类的细菌中阻断抗生素。

但班菲尔德并不是在寻找能够在生物体之间移动的DNA。相反,她和研究生Basem Al-Shayeb正在寻找感染古细菌的病毒,古细菌是一种经常在缺氧地区发现的微生物。

他们会挖掘到地表以下1米或更多的地方,收集可能含有古细菌及其病毒的泥土样本。接下来,他们将对样本中的每一段DNA序列进行测序,并使用复杂的计算机程序扫描表明——这是病毒而不是其他任何生物体的序列。

“我们从一块泥巴和10万亿个DNA片段开始,”班菲尔德说。其中一个样本取自自家院子土地上的泥土,包含了一段充满基因的DNA,长度接近100万个碱基,而且超过一半的基因是新的。这些超长的DNA链,连接着各种各样的遗传结构环状质粒。

这条DNA的线性延伸在它的开始和结束都有一个特殊的碱基模式,表明“Borg”可以复制自己。这也就意味着,这并不仅仅是基因的随机组合。

在他们确定第一个“Borg”序列后,研究人员开始扫描公共数据库中的微生物DNA,看看是否能找到类似的东西。他们在科罗拉多发现了一些地下水的变化——在那里,第一个“Borg”出现在大约1米深的地方,并且在更深的地方变得更加丰富。

在加利福尼亚州纳帕的一个废弃汞矿排放物和科罗拉多州东河的一个浅河床的DNA中,也发现了其他的版本。

研究人员总共分离出23个他们认为可能是“Borg”的基因序列,其中19个被认为具有他们发现的第一个“Borg”染色体的所有特征。

在每一个地方,“Borg”的复制品都与一种名为“甲烷操作菌”(Methanoperedens)的甲烷氧化古生菌的DNA同时出现。研究人员说,这表明“Borg”氏体可能存在于微生物内部。但由于甲烷毒气不能在实验室中生长,该团队还无法证实这一猜测。与此同时,研究小组成员已经排除了“Borg”来自另一种微生物的可能性,因为它们缺少许多生命所必需的基因,或者是一种通常染色体较短的病毒。

匹兹堡大学的微生物学家Graham Hatfull想知道是否有其他大型病毒,类似于他帮助发现的侵入细菌的病毒,可以感染古细菌。“Borg”会是这种病毒的一部分吗?他承认,要证明这一点很有挑战性。

无论如何,该发现强化了这样一种观点——即许多基因元素,可以在生物体的染色体之间或生物体之间跳跃,使生物更容易获得新的基因以适应环境的变化。

每个“Borg”不仅包括新基因,还包括科学家已经知道的功能的可识别基因。例如,一些含有处理甲烷的重要基因;这些基因似乎是从特定的微生物中获得的,比如甲烷操作菌。由于甲烷是一种温室气体,许多微生物要么分解要么产生,研究人员认为“Borg”可能通过提高宿主处理甲烷的能力,来影响这种循环。

Banfield和她的同事们并不知道Borgs是如何产生的,但是他们怀疑曾经有一段时间,这些DNA序列是甲烷操作菌的近亲的基因组,这些基因组被挖掘出来并开始在古细菌中生活。最终,除了自身的染色体之外,只有DNA(现在已经过了很大的修饰)留在了微生物体内。

上述研究近日发表在预印本服务器BioRxiv上,尚未经过同行评审。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源:https://www.sciencemag.org/news/2021/07/mysterious-dna-sequences-known-borgs-recovered-california-mud

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