Πλασμίδιο, ιός ή άλλο; Θολώνει τα όρια DNA «Borgs».
Όταν η μικροβιολόγος Jillian Banfield και οι συνεργάτες της άρχισαν να χτενίζουν δείγματα λάσπης από περιβάλλοντα υγροτόπων πριν από τρία χρόνια, είχαν έναν συγκεκριμένο στόχο:να ανακτήσουν και να αναλύσουν θραύσματα DNA από μεγάλους ιούς που σκοτώνουν τα βακτήρια. Και το έκαναν. Βρήκαν όμως και κάτι απροσδόκητο. Κάποιο από το DNA σε αυτά τα δείγματα δεν ήταν άμεσα αναγνωρίσιμο ότι προέρχεται από ιούς, αρχαία ή άλλες γνωστές κυτταρικές πηγές. Αντίθετα, οι γονιδιωματικές δομές φαινόταν να είναι «διαφορετικές από οτιδήποτε έχει ξαναδεί», είπε ο Banfield.
Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε νωρίτερα αυτό το μήνα στον διακομιστή προεκτύπωσης biorxiv.org, η Banfield και οι συνάδελφοί της στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ ανακοίνωσαν την ύπαρξη αυτών των παράξενων οντοτήτων. (Η εργασία πρέπει ακόμα να αξιολογηθεί από ομοτίμους.) Οι ερευνητές αναγνωρίζουν εκ των προτέρων ότι αυτό που βρήκαν θα μπορούσε να είναι κάποιος νέος τύπος γιγάντιου ιού, πλασμίδιο ή παράξενο χρωμόσωμα. Αλλά προτείνουν επίσης ότι το DNA θα μπορούσε να ανήκει σε κάτι εντελώς άλλο:αυτό που έχουν ονομάσει Borgs. Ακριβώς όπως το εξωγήινο είδος στο Star Trek «αφομοιώνει» τα άτομα σε ένα μυαλό κυψέλης, αυτά τα άγνωστα στοιχεία μπορεί να ενσωματώσουν γονίδια από τα κύτταρα-ξενιστές τους στο δικό τους DNA, σύμφωνα με τον Basem Al-Shayeb, μεταπτυχιακό φοιτητή στο εργαστήριο του Banfield.
Μέχρι στιγμής, άλλοι επιστήμονες γενικά φαίνονται απρόθυμοι να υιοθετήσουν την πιο ασυνήθιστη ερμηνεία του τι είναι ο Borgs. Αλλά συμφωνούν ότι ακόμη και οι πιο κοσμικές ερμηνείες δείχνουν πόσο λίγα είναι γνωστά για τις κατηγορίες της γενετικής ποικιλότητας στη φύση. Υπογραμμίζει την ανάγκη «να αρχίσουμε να σκεφτόμαστε διαφορετικές γενετικές οντότητες [σε] ένα συνεχές», δήλωσε ο Cédric Feschotte, μοριακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Cornell που δεν συμμετείχε στη νέα εργασία. Αυτό το είδος σκέψης θα μπορούσε να ανοίξει έναν κόσμο δυνατοτήτων για όσα καταλαβαίνουμε σχετικά με τη φύση του γονιδιώματος, τον τρόπο λειτουργίας των μικροβίων και πού να αναζητήσουμε πιθανές βιοτεχνολογικές εφαρμογές.
Όταν η Banfield και η ομάδα της έπεσαν για πρώτη φορά στις άγνωστες αλληλουχίες DNA, «έμειναν έκπληκτοι όταν βρήκαν αυτά τα στοιχεία που είχαν μήκος πάνω από 900.000 βάσεις», είπε ο Al-Shayeb. «Και η πλειοψηφία των γονιδίων που κωδικοποιήθηκαν εκεί ήταν εντελώς άγνωστα». Αυτό άφησε στους ερευνητές σχετικά λίγες γενετικές ενδείξεις για το τι ήταν ή τι μπορεί να έκαναν οι Borgs.
Η ανάλυσή τους αποκάλυψε ότι οι γιγαντιαίες αλληλουχίες βρίσκονται σε μια ομάδα «μεθανοτροφικών» αρχαίων, που μεταβολίζουν το μεθάνιο. Οι αλληλουχίες φαινόταν να βρίσκονται μέσα στα κύτταρα αλλά χωριστές από το γονιδίωμα του ξενιστή. Ωστόσο, αυτό απλώς βάθυνε το μυστήριο επειδή τα στοιχεία είχαν έναν παράδοξο συνδυασμό χαρακτηριστικών που τα έκανε δύσκολο να κατηγοριοποιηθούν. Οι αλληλουχίες DNA δεν θα μπορούσαν να αποτελούν μέρος του κανονικού αρχαϊκού γονιδιώματος:Η σύνθεση του ζεύγους βάσεων τους ήταν πολύ διαφορετική και ήταν γραμμικές, όχι κυκλικές όπως τα αρχαϊκά χρωμοσώματα. Αλλά ήταν επίσης μεγαλύτεροι από τους εξωχρωμοσωμικούς τύπους DNA όπως τα πλασμίδια και οι ιοί συνήθως. Η μεγαλύτερη από τις αλληλουχίες, για παράδειγμα, ήταν μεγαλύτερη από το γονιδίωμα του μεγαλύτερου γνωστού βακτηριοφάγου. Στην πραγματικότητα, οι αλληλουχίες ήταν σχεδόν το ένα τρίτο του μεγέθους των γονιδιωμάτων των αρχαίων ξενιστών τους. Τίποτα από αυτά δεν φαινόταν να ευθυγραμμίζεται με αυτό που η Banfield και οι συνάδελφοί της περίμεναν να δουν σε γνωστά γενετικά στοιχεία όπως τα χρωμοσώματα, οι ιοί ή τα πλασμίδια.
Τα περιεχόμενα των ακολουθιών ήταν επίσης μπερδεμένα. Φαινόταν να φέρουν γονίδια από τα αρχαία που κατοικούσαν - συμπεριλαμβανομένων γονιδίων που εμπλέκονται στον μεταβολισμό του μεθανίου, στη σύνθεση ριβοσωμικών πρωτεϊνών, στη δομή του κυτταρικού τοιχώματος, στη χρήση αζώτου και στην εξωκυτταρική μεταφορά ηλεκτρονίων. Τα γονίδια για πολλές από αυτές τις λειτουργίες συνήθως δεν βρίσκονται σε οριακά στοιχεία έξω από τα χρωμοσώματα των κυττάρων. Σε ορισμένες περιπτώσεις οι αλληλουχίες έμοιαζαν να έχουν πάρει κομμάτια DNA η μία από την άλλη. Οι ερευνητές είδαν ακόμη και υπαινιγμούς ότι ο Borgs μπορεί μερικές φορές να μεταφερθεί μεταξύ διαφορετικών αρχαίων, κάτι που θα τους επέτρεπε να μεταφέρουν γονίδια από τον έναν ξενιστή στον άλλο.
Αν και η Banfield δεν έχει ακόμη αποκλείσει την πιθανότητα ότι ο Borgs είναι ένας πολύ μεγάλος ιός ή πλασμίδιο, υποθέτει ότι θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν έναν εντελώς νέο τύπο γενετικού στοιχείου — «όχι επειδή έχουν κάποιο μοναδικό χαρακτηριστικό, αλλά λόγω του συνδυασμού χαρακτηριστικά», είπε. Ίσως, πρόσθεσε, να ήταν κάποτε οι ίδιες ανεξάρτητες αρχαίες, μόνο για να γίνουν μια νέα γεύση ενδοσυμβίωσης, διαφορετική από τα μιτοχόνδρια ή τους χλωροπλάστες.
Άλλοι επιστήμονες εξακολουθούν να είναι λιγότερο πρόθυμοι να πάνε τόσο μακριά. «Σε αυτό το σημείο, θα μπορούσε κάλλιστα να είναι ένα πλασμίδιο», είπε ο Thijs Ettema, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο Wageningen στην Ολλανδία που δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Ένας νέος τύπος πλασμιδίου, και ίσως ένας πολύ συναρπαστικός τύπος πλασμιδίου, αλλά ένα πλασμίδιο παρόλα αυτά." Γραμμικά πλασμίδια δεν έχουν βρεθεί προηγουμένως στα αρχαία, αλλά ως προς το μέγεθος και τη γενετική τους σύνθεση, το Borgs μοιάζει πολύ με μερικά ογκώδη γραμμικά πλασμίδια που ανακαλύφθηκαν πριν από μια δεκαετία σε βακτήρια.
Έχοντας κατά νου αυτή τη βακτηριακή εργασία, «τίποτα δεν ξεχώριζε τόσο εντυπωσιακά απροσδόκητο», είπε ο Mart Krupovic, ιολόγος στο Ινστιτούτο Παστέρ στο Παρίσι, ο οποίος συμφωνεί ότι ο Borgs είναι πιθανώς ένα νέο αρχαιοειδές μεγαπλασμίδιο. Όμως, πρόσθεσε, η ανακάλυψή τους διευρύνει την ποικιλία των γενετικών στοιχείων που σχετίζονται με μερικά από τα πιο μυστηριώδη μικρόβια του πλανήτη. Επιπλέον, ορισμένα πλασμίδια μπορούν να εξελιχθούν για να γίνουν απαραίτητα για τον ξενιστή τους, μεταβαίνοντας σε κάτι που δρα περισσότερο σαν χρωμόσωμα. Δεδομένου του μεγέθους τους, τα Borgs «ίσως είναι στο δρόμο για να γίνουν επιπλέον χρωμοσώματα για αυτά τα αρχαία», είπε ο Krupovic.
Από την άλλη πλευρά, ο Feschotte βλέπει παραλληλισμούς μεταξύ των Borgs και των γιγάντιων ιών. «Θα αφήσω αυτήν την [έκθεση] να βυθιστεί λίγο περισσότερο», είπε, αλλά «ειλικρινά, θα εκπλαγώ πολύ αν δεν είναι viral». Σε αυτήν την περίπτωση, "είναι πιθανό ότι θα ορίσουν μια ολοκαίνουργια κατηγορία ιών."
Ωστόσο, ανεξάρτητα από το τι αποδεικνύεται ο Μποργκς, η πραγματική τους σημασία έγκειται στο να υπογραμμίσουν «ότι τα όρια μεταξύ αυτών των διαφορετικών γενετικών οντοτήτων είναι στην πραγματικότητα ρευστά», είπε ο Φεσότ. Σχετικά με την κλίση ή τη συνέχεια αυτών των στοιχείων, η ομάδα του Μπάνφιλντ «μπορεί να έχει βρει κάτι που είναι λίγο ενδιάμεσο μεταξύ, για παράδειγμα, ενός χρωμοσώματος και ενός ιού», ή ενός χρωμοσώματος και ενός πλασμιδίου, είπε. "Και αυτό θα ήταν ωραίο."
Ο Κρούποβιτς επανέλαβε αυτό το σημείο, προτείνοντας ότι ο Μποργκς μπορεί να γεμίζει «ένα κενό στη συνέχεια» μεταξύ παρασιτικών, συμβιωτικών και τυπικών γονιδιωματικών χαρακτηριστικών. «Προσθέτουν στην κατανόησή μας για το πόσο διαφορετικά μπορεί να είναι [γενετικά] στοιχεία, όσον αφορά τη δομή του γονιδιώματος, από την άποψη του μεγέθους, από την άποψη των οργανισμών όπου μπορούν να βρεθούν», είπε. Η ύπαρξη του Borgs θα μπορούσε να σημαίνει ότι πολλές άλλες οντότητες DNA σε αυτό το φάσμα ενδέχεται να έχουν ανακαλυφθεί ακόμη και ότι ορισμένες μπορεί να βρίσκονται ήδη στα δεδομένα που έχουν συλλέξει οι επιστήμονες, περιμένοντας απλώς να ανακαλυφθούν.
Αν αυτό είναι αλήθεια, τα αρχαία θα ήταν ένα καλό μέρος για να τα αναζητήσετε γιατί «εκεί βρίσκεται τόση τρέλα», είπε ο Feschotte. Ο Al-Shayeb σημείωσε ότι, σε σύγκριση με τους ευκαρυώτες και τα βακτήρια, τα αρχαία δεν έχουν μελετηθεί και υποτιμηθεί. «Μερικά αρχαία δεν χωρίζονται καν σε δύο κύτταρα. χωρίζονται στα τρία. Υπάρχουν πολλά, πολλά μυστήρια στα αρχαία», είπε.
Στην πραγματικότητα, μέρος του γιατί χρειάστηκε τόσος χρόνος για να αποκαλυφθεί ο Borgs είναι ότι οι αρχαίοι ξενιστές τους, όπως σχεδόν όλα τα γνωστά αρχαϊκά είδη, δεν έχουν ποτέ καλλιεργηθεί σε εργαστήριο. Αντίθετα, η Banfield και οι συνάδελφοί της βασίστηκαν σε μεταγονιδιωματικές μεθόδους, συρράπτοντας με κόπο τρισεκατομμύρια μικροσκοπικά θραύσματα DNA για να επανασυναρμολογήσουν πλήρεις αλληλουχίες.
«Ξεκινήσαμε με λάσπη και μια μικροσκοπική αλληλουχία DNA και συνθέσαμε αυτήν την ιστορία», είπε ο Banfield. "Είναι εκπληκτικό αυτό που μπορείτε να κάνετε αυτές τις μέρες με τη βιοπληροφορική."
Αλλά ένας περιορισμός είναι ότι όλα όσα γνωρίζουν οι ερευνητές για τον Borgs είναι ένα συμπέρασμα από τα γενετικά δεδομένα. δεν μπόρεσαν να δουν ή να πειραματιστούν στον Borgs για να επιβεβαιώσουν κάτι ακόμα. Δεν μπορούν καν να αποκλείσουν εντελώς την πιθανότητα ότι οι Borgs είναι απατηλά υποπροϊόντα των τεχνικών ανασυγκρότησης του γονιδιώματος που χρησιμοποιούνται. Στο εξής, περαιτέρω μεταγονιδιωματική ανάλυση και πρόσθετες προσπάθειες καλλιέργειας των αρχαίων ξενιστών τους θα είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του ποιες είναι οι αλληλουχίες και τι κάνουν.
Οι Banfield, Al-Shayeb και οι συνάδελφοί τους υπέθεσαν στο έγγραφό τους ότι, επειδή ορισμένοι Borgs φέρουν γονίδια για την οξείδωση μεθανίου, τα γενετικά στοιχεία μπορεί μια μέρα να είναι χρήσιμα για την τροποποίηση των κυττάρων ώστε να απομακρύνουν το μεθάνιο από το περιβάλλον και να βοηθήσουν στον περιορισμό της κλιματικής αλλαγής. «Αλλά δεν είμαστε ακόμα εκεί», είπε η Έτεμα. Οι επιστήμονες θα πρέπει πρώτα να προσδιορίσουν εάν τα γονίδια στο Borgs εκφράζονται ακόμη και πριν αρχίσουν να εξετάζουν πιθανές εφαρμογές και επιπτώσεις στο περιβάλλον.
Πολλές άλλες γραμμές έρευνας μπορεί να αποδώσουν πολύ νωρίτερα. «Υπάρχει ένα τεράστιο απόθεμα γονιδίων που μένει να διερευνηθεί» στο Borgs, είπε ο Banfield. "Είμαι βέβαιος ότι υπάρχουν πολλά να ανακαλύψουμε - λειτουργίες που θα αποκαλυφθούν που δεν έχουμε καν φανταστεί ακόμα."
«Τι άλλο είναι ίσως όχι τόσο προφανές, αλλά εξακολουθεί να κρύβεται σε κοινή θέα;» ρώτησε η Φεσότ. Για αυτόν, η νέα δουλειά για τους Μποργκς είναι εμπνευσμένη. «Με κάνει να θέλω να βγω έξω και να κοιτάξω τον εαυτό μου. Θέλω να παίξω κι εγώ."
