|
Поедающие метан Борги ассимилировали земных микробов
|
|
|
|
В «Звездном пути» Борги — это безжалостный коллектив с коллективным мышлением, который ассимилирует других существ с намерением захватить галактику. Здесь, на выдуманной планете Земля, Борги представляют собой наборы ДНК, которые могут помочь людям бороться с изменением климата. В прошлом году команда под руководством Джилл Бэнфилд обнаружила структуры ДНК внутри потребляющего метан микроба под названием Methanoperedens, которые, по-видимому, увеличивают скорость метаболизма организма. Они назвали генетические элементы «боргами», потому что ДНК внутри них содержит гены, ассимилированные у многих организмов. В исследовании, опубликованном сегодня на обложке журнала Nature, исследователи описывают любопытный набор генов внутри боргов и начинают исследовать роль, которую эти пакеты ДНК играют в процессах окружающей среды, таких как круговорот углерода.
|
|
|
|
Methanoperedens — это тип архей (одноклеточные организмы, напоминающие бактерии, но представляющие собой отдельную ветвь жизни), которые расщепляют метан (CH4) в почве, грунтовых водах и атмосфере для поддержания клеточного метаболизма. Methanoperedens и другие микробы, потребляющие метан, живут в разнообразных экосистемах по всему миру, но считаются менее распространенными, чем микробы, использующие фотосинтез, кислород или ферментацию для получения энергии.
|
|
|
Тем не менее, они играют огромную роль в процессах земной системы, удаляя метан — самый мощный парниковый газ — из атмосферы. Метан улавливает в 30 раз больше тепла, чем углекислый газ, и, по оценкам, на его долю приходится около 30 процентов глобального потепления, вызванного деятельностью человека. Газ выделяется естественным путем в результате геологических процессов и архей, образующих метан; однако промышленные процессы выбрасывают накопленный метан обратно в атмосферу в угрожающих количествах.
|
|
|
|
Бэнфилд, научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и профессор наук о Земле и планетах, а также наук об окружающей среде, политики и управления в Калифорнийском университете в Беркли, изучает, как микробная деятельность влияет на крупномасштабные экологические процессы и как, в свою очередь, экологические колебания изменить микробиом планеты.
|
|
|
|
В рамках этой работы она и ее коллеги регулярно берут пробы микробов в разных средах обитания, чтобы увидеть, какие интересные гены микробы используют для выживания и как эти гены могут влиять на глобальные циклы ключевых элементов, таких как углерод, азот и сера. Команда изучает геномы внутри клеток, а также портативные пакеты ДНК, известные как внехромосомные элементы (ECE), которые переносят гены между бактериями, археями и вирусами. Эти элементы позволяют микробам быстро получать полезные гены от своих соседей, в том числе тех, которые имеют лишь отдаленное родство.
|
|
|
|
Изучая образцы Methanoperedens из почвы сезонного заболоченного бассейна в Калифорнии, ученые обнаружили доказательства совершенно нового типа ECE. В отличие от кольцевых цепей ДНК, из которых состоит большинство плазмид, наиболее известного типа внехромосомных элементов, новые ЕСЕ являются линейными и очень длинными — до одной трети длины всего генома Methanoperedens. Проанализировав дополнительные образцы из подземной почвы, водоносных горизонтов и русел рек в Калифорнии и Колорадо, которые содержат потребляющие метан археи, команда обнаружила в общей сложности 19 различных ECE, которые они назвали боргами.
|
|
|
|
Используя передовые инструменты анализа генома, ученые определили, что многие последовательности внутри боргов аналогичны генам метаболизма метана в реальном геноме Methanoperedens. Некоторые борги даже кодируют все необходимые клеточные механизмы, чтобы самостоятельно поедать метан, пока они находятся внутри клетки, которая может экспрессировать гены. «Представьте себе единственную клетку, которая способна потреблять метан. Теперь вы добавляете в эту клетку генетические элементы, которые могут параллельно потреблять метан, а также добавляете генетические элементы, которые придают клетке большую емкость. По сути, это создает условия для потребления метана на стероидах, если хотите», — объяснил соавтор Кеннет Уильямс, старший научный сотрудник и коллега Бэнфилда в области наук о Земле и окружающей среде лаборатории Беркли.
|
|
|
|
Уильямс руководил исследованиями на участке Рифл, штат Колорадо, где был обнаружен наиболее характерный борг, а также является главным полевым научным сотрудником исследовательского участка на Ист-Ривер, недалеко от Крестед-Бьютт, штат Колорадо, где проводятся некоторые из текущих отборов проб Бэнфилда. Месторождение в Ист-Ривер является частью научной области Министерства энергетики по водоразделу, междисциплинарного исследовательского проекта, возглавляемого лабораторией Беркли, целью которого является связать микробиологию и биохимию с гидрологией и наукой о климате. «Наш опыт объединяет то, что часто считается и рассматривается как совершенно разные области исследований — большая наука, которая связывает все, от генов до водоразделов и атмосферных процессов».
|
|
|
|
Бэнфилд и ее коллеги-исследователи из Института инновационной геномики Калифорнийского университета в Беркли, в том числе соавтор и давний сотрудник Дженнифер Дудна, выдвигают гипотезу о том, что борги могут быть остаточными фрагментами целых микробов, которые были поглощены Methanoperedens для улучшения метаболизма, подобно тому, как растительные клетки используют ранее свободные клетки. - живые фотосинтезирующие микробы, чтобы получить то, что мы сейчас называем хлоропластами, и как древняя эукариотическая клетка поглотила предков сегодняшних митохондрий.
|
|
|
|
Основываясь на сходстве последовательностей, поглощенная клетка могла быть родственницей Methanoperedens, но общее разнообразие генов, обнаруженных у боргов, указывает на то, что эти пакеты ДНК были ассимилированы из широкого круга организмов. Независимо от происхождения, ясно, что борги существовали рядом с этими археями, перемещая гены туда и обратно в течение очень долгого времени. Примечательно, что некоторые метанопередены были обнаружены без боргов. И, в дополнение к узнаваемым генам, борги также содержат уникальные гены, кодирующие другие метаболические белки, мембранные белки и внеклеточные белки, почти наверняка участвующие в электронной проводимости, необходимой для выработки энергии, а также другие белки, которые оказывают неизвестное влияние на своих хозяев.
|
|
|
|
Пока ученые не смогут культивировать Methanoperedens в лабораторных условиях, они не будут знать наверняка, какими способностями обладают различные борги, почему одни микробы их используют, а другие нет. Одно из вероятных объяснений состоит в том, что борги действуют как шкафчик для хранения метаболических генов, которые нужны только в определенное время. Текущие исследования по мониторингу метана показали, что концентрации метана могут значительно варьироваться в течение года, обычно достигая пика осенью и падая до самых низких уровней ранней весной. Таким образом, борги обеспечивают конкурентное преимущество поедающим метан микробам, таким как Methanoperedens, в периоды изобилия, когда метана больше, чем может разрушить их родной клеточный механизм.
|
|
|
|
Известно, что плазмиды служат аналогичной цели, быстро распространяя гены устойчивости к токсичным молекулам (таким как тяжелые металлы и антибиотики), когда токсины присутствуют в достаточно высоких концентрациях, чтобы оказывать эволюционное давление. «Есть свидетельства того, что разные типы боргов иногда сосуществуют в одной и той же клетке-хозяине Methanopreredens. Это открывает возможность того, что борги могут распространять гены по родословным», — сказал Бэнфилд. С момента публикации своей статьи в качестве препринта в прошлом году команда начала дополнительную работу, чтобы лучше понять, как борги могут влиять на биологические и геологические процессы. Некоторые исследователи просматривают наборы данных генетического материала других микроорганизмов в поисках доказательств того, что борги существуют вместе с другими видами.
|
|
|
|
Пока ее коллеги используют лабораторные методы, соавтор Сьюзен Маллен, аспирант лаборатории Бэнфилда, будет заниматься очень живописной полевой работой. Недавно она начала проект по отбору микробов из поймы Ист-Ривер в течение года, чтобы оценить, как сезонные изменения численности боргов и других микробов, которые, как известно, участвуют в круговороте метана, коррелируют с сезонными потоками метана. По словам авторов, через несколько лет тщательно культивированные микробы, набитые боргами, можно будет использовать для сокращения выбросов метана и сдерживания глобального потепления. Это все для блага коллектива — жизни на Земле.
|
|
|
|
Источник
|
