W Star Trek Borg są bezwzględnym kolektywem o ulu, który asymiluje inne istoty z zamiarem przejęcia galaktyki. Tutaj, na niefikcyjnej planecie Ziemia, Borgs są pakietami DNA, które mogą pomóc ludziom w walce ze zmianami klimatu.
W zeszłym roku zespół kierowany przez Jill Banfield odkrył struktury DNA w drobnoustroju zużywającym metan o nazwie Methanoperedens, który wydaje się przyspieszać tempo metabolizmu organizmu. Nazwali elementy genetyczne „Borgami”, ponieważ DNA w nich zawiera geny zasymilowane z wielu organizmów. W badaniu opublikowanym dzisiaj jako artykuł na okładce w Nature, naukowcy opisują ciekawy zbiór genów w Borgs i zaczynają badać rolę, jaką te pakiety DNA odgrywają w procesach środowiskowych, takich jak obieg węgla.
Pierwszy kontakt
Metanooperedens to rodzaj archeonów (jednokomórkowych organizmów przypominających bakterie, ale reprezentujących odrębną gałąź życia), które rozkładają metan (CH4) w glebie, wodzie gruntowej i atmosferze, aby wspierać metabolizm komórkowy. Metanooperedny i inne drobnoustroje zużywające metan żyją w różnych ekosystemach na całym świecie, ale uważa się, że są mniej powszechne niż drobnoustroje wykorzystujące fotosyntezę, tlen lub fermentację do pozyskiwania energii. Odgrywają jednak ogromną rolę w procesach systemu Ziemi, usuwając z atmosfery metan – najsilniejszy gaz cieplarniany. Metan zatrzymuje 30 razy więcej ciepła niż dwutlenek węgla i szacuje się, że odpowiada za około 30 procent globalnego ocieplenia spowodowanego przez człowieka. Gaz jest emitowany w sposób naturalny poprzez procesy geologiczne oraz przez archeony wytwarzające metan; jednak procesy przemysłowe uwalniają zmagazynowany metan z powrotem do atmosfery w niepokojących ilościach.
Banfield, naukowiec wydziałowy w Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) oraz profesor nauk o Ziemi i planetarnej oraz nauk o środowisku, polityki i zarządzania na UC Berkeley, bada, w jaki sposób aktywność drobnoustrojów kształtuje wielkoskalowe procesy środowiskowe i jak z kolei wahania środowiskowe zmienić mikrobiomy planety. W ramach tej pracy ona i jej koledzy regularnie pobierają próbki drobnoustrojów w różnych siedliskach, aby zobaczyć, jakie interesujące geny drobnoustroje wykorzystują do przetrwania i jak te geny mogą wpływać na globalne cykle kluczowych pierwiastków, takich jak węgiel, azot i siarka. Zespół przygląda się genomom w komórkach, a także przenośnym pakietom DNA znanym jako elementy pozachromosomalne (ECE), które przenoszą geny między bakteriami, archeonami i wirusami. Te pierwiastki pozwalają drobnoustrojom na szybkie uzyskanie korzystnych genów od sąsiadów, także tych, które są tylko odległe spokrewnione.
Badając Methanoperedens pobrane z sezonowej gleby na mokradłach w Kalifornii, naukowcy znaleźli dowody na zupełnie nowy typ ECE. W przeciwieństwie do kolistych nici DNA, które tworzą większość plazmidów, najbardziej znanego typu elementów pozachromosomalnych, nowe ECE są liniowe i bardzo długie – do jednej trzeciej długości całego genomu Methanoperedens. Po przeanalizowaniu dodatkowych próbek z podziemnej gleby, warstw wodonośnych i koryt rzek w Kalifornii i Kolorado, które zawierają archeony pochłaniające metan, zespół odkrył łącznie 19 różnych ECE, które nazwali Borgs. Korzystając z zaawansowanych narzędzi do analizy genomu, naukowcy ustalili, że wiele sekwencji w obrębie Borgów jest podobnych do genów metabolizujących metan w rzeczywistym genomie Metanooperedens. Niektóre z Borgów kodują nawet całą niezbędną maszynerię komórkową do samodzielnego spożywania metanu, o ile znajdują się w komórce, która może wyrażać geny.
„Wyobraź sobie pojedynczą komórkę, która ma zdolność zużywania metanu. Teraz dodajesz elementy genetyczne do tej komórki, które mogą równolegle zużywać metan, a także dodajesz elementy genetyczne, które zapewniają komórce większą pojemność. Zasadniczo stwarza to warunki do zużycia metanu na sterydach, jeśli chcesz” – wyjaśnił współautor Kenneth Williams, starszy naukowiec i kolega Banfielda w Berkeley Lab’s Earth and Environmental Sciences Area. Williams prowadził badania na stanowisku Rifle w Kolorado, gdzie znaleziono najlepiej scharakteryzowanego Borga, a także jest głównym naukowcem terenowym ośrodka badawczego na East River, w pobliżu Crested Butte w Kolorado, gdzie odbywa się niektóre z obecnych próbek Banfielda.
Teren terenowy East River jest częścią naukowego obszaru zainteresowania Departamentu Energii ds. funkcji zlewni, multidyscyplinarnego projektu badawczego prowadzonego przez Berkeley Lab, który ma na celu połączenie mikrobiologii i biochemii z hydrologią i naukami o klimacie. „Nasza wiedza ekspercka łączy to, co często uważa się i traktuje jako całkowicie odmienne dziedziny badań – wielką naukę, która łączy wszystko, od genów po zlewnie i procesy atmosferyczne”.
Opór jest daremną wadą
Banfield i jej koledzy z Instytutu Innowacyjnej Genomiki Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, w tym współautorka i wieloletnia współpracowniczka Jennifer Doudna, stawiają hipotezę, że Borgowie mogą być pozostałościami fragmentów całych drobnoustrojów, które zostały pochłonięte przez metanooperedy, aby wspomóc metabolizm, podobnie jak komórki roślinne ujarzmione wcześniej -żywe drobnoustroje fotosyntetyczne, aby uzyskać to, co teraz nazywamy chloroplastami, i jak starożytna komórka eukariotyczna pochłonęła przodków dzisiejszych mitochondriów. W oparciu o podobieństwa w sekwencjach, pochłonięta komórka mogła być krewną Methanoperedens, ale ogólna różnorodność genów znalezionych w Borgs wskazuje, że te pakiety DNA zostały zasymilowane z szerokiej gamy organizmów.
Bez względu na pochodzenie, jasne jest, że Borg istniały obok tych archeonów, przerzucając geny tam iz powrotem przez bardzo długi czas.
Warto zauważyć, że niektóre Methanoperedens zostały znalezione bez Borga. Poza rozpoznawalnymi genami Borgowie zawierają również unikalne geny kodujące inne białka metaboliczne, białka błonowe i białka zewnątrzkomórkowe prawie na pewno zaangażowane w przewodzenie elektronów wymagane do wytwarzania energii, a także inne białka, które mają nieznany wpływ na swoich gospodarzy. Dopóki naukowcy nie będą mogli hodować metanoopereden w środowisku laboratoryjnym, nie będą wiedzieć na pewno, jakie zdolności mają różne Borgi, dlaczego niektóre drobnoustroje ich używają, a dlaczego inne nie.
Jednym z prawdopodobnych wyjaśnień jest to, że Borg działa jak magazyn genów metabolicznych, które są potrzebne tylko w określonych momentach. Prowadzone badania monitoringu metanu wykazały, że stężenia metanu mogą się znacznie różnić w ciągu roku, zwykle osiągając szczyt jesienią i spadając do najniższych poziomów wczesną wiosną. Borg zapewniają więc przewagę konkurencyjną mikrobom zjadającym metan, takim jak Metanooperedens, w okresach obfitości, kiedy metanu jest więcej, niż może rozbić ich rodzima maszyneria komórkowa.
Wiadomo, że plazmidy służą podobnemu celowi, szybko rozprzestrzeniając geny oporności na toksyczne cząsteczki (takie jak metale ciężkie i antybiotyki), gdy toksyny są obecne w wystarczająco wysokich stężeniach, aby wywierać presję ewolucyjną.
„Istnieją dowody na to, że różne typy Borgsa czasami współistnieją w tym samym gospodarzu, w komórce Methanopreredens. Otwiera to możliwość, że Borgs może rozprzestrzeniać geny w różnych liniach” – powiedział Banfield.
Odważne odkrywanie (mikrobiologicznego) wszechświata
Od czasu opublikowania swojego artykułu jako wstępnego druku w zeszłym roku, zespół rozpoczął dalsze prace, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób Borgs może wpływać na procesy biologiczne i geologiczne. Niektórzy badacze przeczesują zbiory danych materiału genetycznego innych mikroorganizmów, szukając dowodów na istnienie Borgów w połączeniu z innymi gatunkami.
Podczas gdy jej koledzy stosują metody laboratoryjne, współautorka Susan Mullen, absolwentka laboratorium Banfielda, będzie zmoczyć stopy od bardzo malowniczych prac terenowych. Niedawno rozpoczęła projekt polegający na pobieraniu próbek drobnoustrojów z terenów zalewowych East River przez cały rok, aby ocenić, jak sezonowe zmiany liczebności Borga i innych drobnoustrojów, o których wiadomo, że biorą udział w obiegu metanu, korelują z sezonowymi przepływami metanu.
Według autorów, wiele lat później, starannie hodowane drobnoustroje wypełnione Borgsami mogą zostać wykorzystane do redukcji metanu i ograniczenia globalnego ocieplenia. To wszystko ma przynieść korzyści kolektywowi – życiu na Ziemi.