博格链巨型DNA结构被发现，具有外星科幻色彩，科学家为之着迷

　　出品：放牛班的秘密花园
　　来源：科学美国人、Vice
　　编译：Sail2008
　　责任编辑：Sunnisky
　　博格链：具有外星科幻色彩的巨型DNA结构被发现，科学家为之着迷
　　根据一项由诺贝尔奖得主和其他基因组学研究人员共同撰写的最新研究，科学家们在湿地土壤中发现了前所未见的DNA序列，可能会对抵御气候变化产生重要和意想不到的影响。
　　＂博格人＂来了？或者说，研究人员今天在地球上发现了他们的同类。科学家在分析美国西部湿地样本时发现了全新的DNA结构，它们似乎能搜寻并吸收环境中的微生物基因，就像科幻剧《星际迷航》中能吸收其他物种的知识和技术的外星物种＂博格人＂（Borgs）一样。
　　科学家们于是就以这种外星人的名字来命名这些超长DNA链，它们连接着多种基因结构，如被称为 ＂染色体外元素＂（ECE） 的环状质粒。
　　论文第一作者、加州大学伯克利分校的地球微生物学家Jill Banfield说，＂博格＂DNA链是一种前所未见、独一无二、＂有趣至极＂的 染色体外元素（ECE） 。
　　Banfield研究的是微生物如何影响碳循环，包括甲烷（一种强大的温室气体）的产生和降解。2019年10月，她的团队前往加州湿地寻找含有碳循环相关基因的染色体外元素（ECE）。他们在那里发现了第一个博格DNA链，后来又在该地及科罗拉多州和加州的类似地点确定了19种不同类型的博格DNA链。
　　发现Borgs的科罗拉多河东岸
　　她的团队包括几名来自创新基因组研究所（IGI）的研究人员，该研究所是加州大学伯克利分校和加州大学旧金山分校的合作伙伴，由Jennifer Doudna创立，她曾获得2020年诺贝尔化学奖，也是这项新研究的合著者。
　　多种基因来源赋予外星科幻色彩
　　大多数微生物都有一两个染色体能编码其主要基因蓝图，但它们能托管并经常共享多种不同的染色体外元素。这些染色体外元素携带非必需但有用的基因，比如抗生素耐药性基因。
　　研究人员研究了种类繁多的微生物体，如细菌、古生菌、真核生物、病毒、噬菌体和质粒。这些微生物体都栖息在水栖地，例如地下水含水层、土壤和春季的池塘。博格DNA链与以前所见过的任何微生物体都明显不同，这暗示着它有一个独特的进化起源。
　　Banfield团队认为，假设博格DNA链真实存在，那么维持如此庞大的染色体外元素（ECE）对厌氧甲烷氧化菌来说代价高昂，因此DNA结构一定会提供某种好处。为了搞清楚这种好处是什么，研究人员分析了数百个博格DNA链的基因序列，并将其与已知基因进行比较。
　　Borgs分享了全部基因组特征
　　Banfield说，博格DNA链似乎拥有（包括吸收甲烷在内的）整个代谢过程所需的多种基因。她把这些基因组合称为＂ 一个工具箱 ＂，可以增强厌氧甲烷氧化菌 （Methanoperedens） 的能力。
　　在对博格DNA链的基因组进行分析时，Banfield及其同事还发现有特征表明，博格DNA链吸收的基因有多种来源，包括厌氧甲烷氧化菌的主染色体。正是由于它吸收基因的潜力，Banfield的儿子在2020年感恩节晚餐上提出以＂博格＂为其命名。
　　前所未见的DNA结构
　　博格DNA链的长度为 60多万到约100万个DNA碱基对 ，这种巨大的尺寸是其区别于许多其它ECE的特征之一。Banfield说，事实上博格DNA链太大了，它的长度占到其宿主微生物的主染色体长度的 三分之一 。
　　德克萨斯大学奥斯汀分校的微生物学家Brett Baker说，博格DNA链是与以前所见过的完全不同的DNA结构。其他科学家都认为这一发现令人激动，但又对博格DNA链是否真的独一无二表示怀疑，他们注意到博格DNA链与其他较大的染色体外元素（ECE）之间存在相似之处。
　　＂他们提出了一个有趣的观点，＂系统生物学家、华盛顿州西雅图市系统生物学研究所的Nitin Baliga说。但他警告说，当研究人员像Banfield团队那样筛选出许多基因组片段并将其拼凑起来时，可能会出错。他又说，在实验室培养的厌氧甲烷氧化菌中发现博格DNA链，对于确定研究结果的权威性来说至关重要。
　　微生物学家、中国科学院微生物所所长黄力表示，近年来人们对ECE领域的意外发现早已习以为常，然而，博格DNA链的发现必定会丰富ECE的概念，令该领域的众多研究者为此着迷。
　　博格DNA链究竟是什么？
　　该团队还对解决一个更基本的问题感兴趣：这些博格DNA链究竟是什么？
　　根据这项研究，它们可能是 ＂巨大的线性病毒＂，或＂不同于以往任何报道的质粒＂，或＂厌氧甲烷氧化菌的兄弟谱系，它经历了基因丢失，同时在厌氧甲烷氧化菌中建立了共生关系＂ 。
　　确切地说，博格DNA链究竟是什么眼下仍是个谜，但它似乎与 古生菌 有关，这是不同于细菌的单细胞微生物。确切地说，Banfield团队发现的这些博格DNA链与厌氧甲烷氧化菌的变种有关，后者能吸收和分解甲烷，而博格DNA链的基因似乎参与了这一过程。
　　很明显，它们和参与甲烷氧化的微生物（即厌氧甲烷氧化菌）共享基因和蛋白质，这表明它们通过以往的基因转移获得了这些元素。
　　博格DNA链是染色体外元素，这意味着这些DNA序列是在染色体外发现的，而染色体位于大多数细胞的细胞核内，包含了生物体的大部分遗传物质。染色体外元素的例子包括质粒，它能在宿主及一些病毒的染色体外复制。
　　科学家们还无法在实验室中培养厌氧甲烷氧化菌，这对许多微生物来说都是持续性的挑战。所以该团队关于博格DNA链可能被古生菌用于处理甲烷的结论仅仅是基于序列数据。
　　独一无二的博格DNA链
　　那么，是什么让博格DNA链如此特别？
　　除了尺寸惊人外，博格DNA链还有几个共同的结构特征： 它们是线性的，而非许多染色体外元素（ECE）那种环状结构，它们在DNA链的两端都有镜像的重复序列，它们在假定基因内部和之间都有许多其它的重复序列。
　　单独来看，博格DNA链的这些特征可能与其他大型染色体外元素（ECE）的特征重叠，比如某些喜盐古生菌的遗传因子，所以Baliga认为，博格DNA链的新颖性现阶段仍有争议。阿根廷微生物工业处理试验厂的微生物学家Julián Rafael Dib说，博格DNA链与在土栖放线菌中发现的巨型线性质粒也很相似。
　　Banfield反对上述观点，她认为虽然博格DNA链的个体特征以前曾经发现过，但 ＂大小、组合和代谢基因负载＂ 是令其与众不同的原因。她推测它们曾是完整的微生物，并被厌氧甲烷氧化菌所吸收，与真核细胞通过吸收自由生存细菌获得能够产生能量的线粒体的方式如出一辙。
　　未来的应用前景
　　研究人员认为，博格DNA链的一个潜在应用是在抵御气候变化方面提供帮助。气候变化研究者对甲烷氧化菌有极大的兴趣，因为它们减少了甲烷的大气排放，而甲烷是一种导致全球气温上升的强大的温室气体。
　　Banfield团队目前正在研究博格DNA链的功能及其DNA重复序列的作用。重复序列对微生物来说很重要：被称为CRISPR的不同结构的重复序列是来自病毒的基因密码片段，微生物将这些片段融入自己的DNA中，从而＂记住＂病原体，以便在未来能够抵御它们。
　　CRISPR及其相关蛋白是生物技术的福音，因为它们已经被改造成一种强大的基因编辑技术，这暗示着博格基因组也可能产生有用的工具。＂它可能和CRISPR一样重要和有趣，但我认为它将是一件新事物，＂Banfield说，她正在与这篇预印本论文的合著者Jennifer Doudna合作进行未来的研究，后者是加州大学基于CRISPR的基因编辑的先驱。
　　她总结说：＂因此，可以用CRISPR来类比，CRISPR是一种只能部分预测微生物的病毒防御功能的系统，但最终成了一种奇妙的全新工具集。＂
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