بورگ ها فرود آمده اند – یا حداقل محققان همتایان خود را در اینجا روی زمین یافته اند. دانشمندان در حال تجزیه و تحلیل نمونه‌هایی از زمین‌های گلی در غرب ایالات متحده، ساختارهای DNA جدیدی را کشف کرده‌اند که به نظر می‌رسد ژن‌های میکروارگانیسم‌های موجود در محیط خود را جمع‌آوری و جذب می‌کنند. پیشتازان فضا بیگانگان “بورگ” که دانش و فناوری گونه های دیگر را جذب می کنند.
این رشته‌های بسیار طولانی DNA که دانشمندان آنها را به نام بیگانگان نامگذاری کرده‌اند، به مجموعه متنوعی از ساختارهای ژنتیکی می‌پیوندند – مثلاً پلاسمیدهای دایره‌ای – که به عنوان عناصر خارج کروموزومی (ECEs) شناخته می‌شوند. اکثر میکروب ها یک یا دو کروموزوم دارند که نقشه ژنتیکی اولیه آنها را رمزگذاری می کند. اما آنها می توانند میزبانی کنند و اغلب ECE های مختلف را با یکدیگر به اشتراک بگذارند. آنها حامل ژن های غیر ضروری اما مفید هستند، مانند ژن های مربوط به مقاومت آنتی بیوتیکی.
جیل بانفیلد، ژئومیکروبیولوژیست در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، می گوید که بورگ ها قبلاً ناشناخته، منحصر به فرد و نوع “کاملاً جذاب” از ECE هستند. او و همکارانش کشف خود را از ساختارها در یک پیش چاپ منتشر شده در سرور bioRxiv توصیف می کنند. کار در انتظار بررسی است.
بر خلاف هر چیزی که قبلا دیده شده بود
برت بیکر، میکروبیولوژیست از دانشگاه تگزاس در آستین، می‌گوید بورگ‌ها ساختارهای DNA هستند که «بر خلاف آنچه قبلا دیده شده‌اند». دانشمندان دیگر موافق هستند که این کشف هیجان‌انگیز است، اما با توجه به شباهت‌های بین آنها و دیگر ECEهای بزرگ، این سوال را مطرح می‌کنند که آیا بورگ‌ها واقعاً منحصربه‌فرد هستند یا خیر.
هوانگ لی، میکروبیولوژیست در آکادمی علوم چین در پکن می گوید: در سال های اخیر، “مردم به شگفتی در زمینه ECE عادت کرده اند.” با این حال، کشف بورگس، که بدون شک مفهوم ECE را غنی می کند، بسیاری را در این زمینه مجذوب خود کرده است.
اندازه عظیم آنها، بین بیش از 600000 تا حدود 1 میلیون جفت باز DNA در طول، یکی از ویژگی هایی است که بورگ را از بسیاری از ECE های دیگر متمایز می کند. بانفیلد می گوید در واقع، بورگ ها آنقدر بزرگ هستند که به یک سوم طول کروموزوم اصلی در میزبان میکروبی خود می رسند.
بنفیلد مطالعه می کند که چگونه میکروب ها بر چرخه کربن تأثیر می گذارند – از جمله تولید و تجزیه متان، یک گاز گلخانه ای قدرتمند – و در اکتبر 2019، او و همکارانش به دنبال ECE های حاوی ژن های دخیل در چرخه کربن در تالاب های کالیفرنیا رفتند. در آنجا آنها اولین بورگ ها را کشف کردند و بعداً 19 گونه مختلف را از این مکان و مکان های مشابه در کلرادو و کالیفرنیا شناسایی کردند.
به نظر می‌رسد بورگ‌ها با آرکیاها که میکروارگانیسم‌های تک سلولی غیر از باکتری‌ها هستند، مرتبط است. به طور خاص، آنهایی که بانفیلد و تیمش پیدا کردند با آنها مرتبط بودند متانوپردن گونه هایی که متان را جذب و از بین می برند. بانفیلد می گوید و به نظر می رسد که ژن های بورگ در این فرآیند دخیل هستند.
دانشمندان هنوز نمی توانند فرهنگ سازی کنند متانوپردن در آزمایشگاه – یک یک چالش مداوم برای بسیاری از میکروب ها – بنابراین نتیجه گیری تیم مبنی بر اینکه بورگس می تواند توسط باستانی ها برای پردازش متان استفاده شود، تنها بر اساس داده های توالی است.
نیتین بالیگا، زیست شناس سیستمی از موسسه زیست شناسی سیستمی در سیاتل، واشنگتن، می گوید: «آنها مشاهدات جالبی انجام دادند. اما او هشدار می دهد که وقتی محققان قطعات بسیاری از ژنوم ها را غربال می کنند و آنها را به هم می چسبانند، همانطور که تیم بانفیلد انجام دادند، ممکن است اشتباه کنند. یافتن بورگ ها در فرهنگ متانوپردن او می افزاید که برای نهایی شدن این یافته لازم است.
هزینه ها و منافع
با فرض واقعی بودن بورگ ها، حفظ چنین ECE عظیمی گران خواهد بود متانوپردن ها، بانفیلد و همکارانش می گویند که ساختارهای DNA باید فوایدی را ارائه دهند. برای اینکه بفهمند این ممکن است چیست، محققان توالی صدها ژن بورگ را تجزیه و تحلیل کردند و آنها را با ژن های شناخته شده مقایسه کردند.
بانفیلد می‌گوید: به نظر می‌رسد بورگ‌ها حاوی بسیاری از ژن‌های لازم برای فرآیندهای متابولیک کلی، از جمله جذب متان است. او این مجموعه ها را به عنوان یک “جعبه ابزار” توصیف می کند که می تواند قدرت های فوق العاده را شارژ کند متانوپردن.
پس بورگ بورگ چه می کند؟ بورگ ها علاوه بر اندازه قابل توجه خود، چندین ویژگی ساختاری مشترک دارند: آنها خطی هستند، مانند بسیاری از ECE ها گرد نیستند. آنها توالی های تکرار آینه ای در هر انتهای رشته دارند. و بسیاری از توالی های تکراری دیگر هم در داخل و هم بین ژن های احتمالی دارند.
به‌طور جداگانه، این ویژگی‌های بورگس ممکن است با ویژگی‌هایی که در دیگر ECEهای بزرگ دیده می‌شود، مانند عناصر در برخی از باستان‌های نمک دوست، همپوشانی داشته باشند، بنابراین بالیگا می‌گوید که تازگی بورگس هنوز در این مرحله قابل بحث است. بورگ ها هم شبیه هم هستند پلاسمیدهای خطی غول پیکر در ساکنان خاک یافت می شود اکتینوباکتری هاجولیان رافائل دیب، میکروبیولوژیست در کارخانه آزمایشی فرآیندهای صنعتی میکروبیولوژیکی در توکومان، آرژانتین، می گوید.
بانفیلد پاسخ داد که اگرچه ویژگی‌های فردی بورگس قبلاً دیده شده است، “اندازه، ترکیب و بار ژن متابولیک” چیزی است که آنها را متفاوت می‌کند. او حدس می‌زند که آنها زمانی میکروب‌های کاملی بودند و توسط آنها جذب شده بودند متانوپردن به همان روشی که سلول‌های یوکاریوتی با جذب باکتری‌های آزاد، میتوکندری‌های مولد انرژی را به دست آوردند.
بیکر که در آزمایشگاه بانفیلد کار می‌کرد، می‌گوید اکنون که دانشمندان می‌دانند به دنبال چه چیزی بگردند، ممکن است بورگ بیشتری را با غربال کردن داده‌های قدیمی پیدا کنند. او فکر می‌کند که ممکن است از زمان انتشار پیش‌چاپ، برخی از نامزدها را در پایگاه داده ژنتیکی خود کشف کرده باشد.
مقاومت بی معنی است
وقتی بانفیلد و همکارانش ژنوم بورگ را تجزیه و تحلیل کردند، ویژگی‌هایی را دیدند که نشان می‌داد بورگ ژن‌هایی را از منابع مختلف از جمله منابع اصلی جذب کرده است. متانوپردن بانفیلد می گوید کروموزوم. این پتانسیل برای «همسان سازی» ژن ها باعث شد که پسرش نام «بورگ» را در شام شکرگزاری 2020 پیشنهاد دهد.
تیم بانفیلد اکنون در حال بررسی عملکرد بورگس و نقش تکرارهای DNA آنها هستند. تکرارها برای میکروب‌ها مهم هستند: تکرارهای با ساختار متفاوت، به نام CRISPR، قطعاتی از کد ژنتیکی ویروس‌ها هستند که میکروب‌ها آنها را در DNA خود وارد می‌کنند تا پاتوژن‌ها را «به خاطر بسپارند» تا بتوانند در آینده از خود در برابر آنها دفاع کنند.
CRISPR و پروتئین‌های مربوطه برای بیوتکنولوژی موهبتی بوده‌اند، زیرا آنها در یک تکنیک قدرتمند ویرایش ژنی اقتباس شده‌اند – که نشان می‌دهد ژنوم‌های بورگ نیز ممکن است ابزارهای مفیدی را تولید کنند. بانفیلد که در تحقیقات آینده با نویسنده پیش از چاپ خود، جنیفر دودنا، پیشگام در ویرایش ژن مبتنی بر CRISPR در دانشگاه، همکاری می کند، می گوید: «این می تواند به اندازه CRISPR مهم و جالب باشد، اما فکر می کنم چیز جدیدی خواهد بود. دانشگاه کالیفرنیا.
یکی از کاربردهای بالقوه ای که محققان برای بورگ می بینند می تواند کمکی در مبارزه با تغییرات آب و هوایی باشد. تشویق به رشد میکروب‌های حاوی آنها می‌تواند به طور بالقوه انتشار متان تولید شده توسط باستان‌های ساکن خاک را کاهش دهد، که هر سال در سطح جهان به حدود 1 گیگا تن می‌رسد. بانفیلد می گوید که انجام این کار در تالاب های طبیعی خطرناک است، اما ممکن است در سایت های کشاورزی مناسب باشد. بنابراین، در اولین قدم، گروه او اکنون در حال شکار بورگ ها در شالیزارهای برنج کالیفرنیا هستند.
این مقاله با اجازه تکثیر شده است اولین بار منتشر شد در 16 جولای 2021
