Bukan Fiksyen Sains: “Borgs” Pemakan Metana Telah Mengasimilasikan Mikrob Bumi

Ilustrasi digital yang diilhamkan oleh archaea pemakan metana dan Borg yang mengasimilasikan mereka. Kredit: Jenny Nuss/Berkeley Lab

Jenis yang baru ditemui boleh dipindah milik DNA struktur dengan nama sci-fi nampaknya memainkan peranan dalam mengimbangi metana atmosfera.

Dalam Star Trek, Borg ialah kolektif yang kejam dan berfikiran sarang yang mengasimilasikan makhluk lain dengan niat untuk mengambil alih galaksi. Di planet Bumi bukan fiksyen, Borgs ialah pakej DNA yang boleh membantu manusia melawan perubahan iklim.

Tahun lepas, satu pasukan saintis menemui struktur DNA dalam mikrob pemakan metana yang dipanggil Methanoperedens yang kelihatan melebihkan kadar metabolisme organisma. Mereka menamakan unsur genetik “Borgs” kerana DNA di dalamnya mengandungi gen yang diasimilasikan daripada banyak organisma. Dalam kajian yang diterbitkan pada 19 Oktober dalam jurnal alam semula jadi, para penyelidik, yang diketuai oleh Jill Banfield, menerangkan koleksi gen yang ingin tahu dalam Borgs. Mereka juga mula menyiasat peranan pakej DNA ini dalam proses alam sekitar, seperti kitaran karbon.

“Bayangkan satu sel yang mempunyai keupayaan untuk menggunakan metana. Sekarang anda menambah unsur genetik dalam sel itu yang boleh menggunakan metana secara selari dan juga menambah unsur genetik yang memberikan sel kapasiti yang lebih tinggi. Ia pada asasnya mewujudkan keadaan untuk penggunaan metana pada steroid, jika anda mahu. — Kenneth Williams

Kenalan pertama

Methanoperedens adalah sejenis archaea (organisma unisel yang menyerupai bakteria tetapi mewakili satu cabang kehidupan yang berbeza) yang memecahkan metana (CH4) dalam tanah, air bawah tanah, dan atmosfera untuk menyokong metabolisme selular. Walaupun Methanoperedens dan mikrob pemakan metana lain hidup dalam pelbagai ekosistem di seluruh dunia, mereka dipercayai kurang biasa daripada mikrob yang menggunakan fotosintesis, oksigen, atau penapaian untuk tenaga. Walau bagaimanapun, mereka memainkan peranan yang terlalu besar dalam proses sistem Bumi dengan mengeluarkan metana – gas rumah hijau yang paling kuat – dari atmosfera. Metana memerangkap 30 kali lebih haba daripada karbon dioksida dan dianggarkan menyumbang kira-kira 30 peratus daripada pemanasan global yang didorong oleh manusia. Gas dipancarkan secara semula jadi melalui proses geologi dan oleh arkea penjanaan metana; bagaimanapun, proses perindustrian membebaskan metana yang tersimpan kembali ke atmosfera dalam kuantiti yang membimbangkan.

Banfield ialah seorang saintis fakulti di Makmal Kebangsaan Lawrence Berkeley (Makmal Berkeley) dan profesor Sains Bumi & Planet dan Sains Alam Sekitar, Dasar & Pengurusan di Universiti California, Berkeley (UC Berkeley). Dia mengkaji bagaimana aktiviti mikrob membentuk proses alam sekitar berskala besar dan bagaimana, seterusnya, turun naik alam sekitar mengubah mikrobiom planet. Sebagai sebahagian daripada kerja ini, dia dan rakan sekerjanya kerap mencuba mikrob di habitat yang berbeza untuk melihat gen menarik yang digunakan oleh mikrob untuk terus hidup, dan cara gen ini mungkin mempengaruhi kitaran global unsur utama, seperti karbon, nitrogen dan sulfur. Pasukan itu melihat genom dalam sel serta paket mudah alih DNA yang dikenali sebagai unsur kromosom tambahan (ECE) yang memindahkan gen antara bakteria, archaea dan virus. Unsur-unsur ini membolehkan mikrob cepat memperoleh gen yang bermanfaat daripada jiran mereka, termasuk yang hanya berkaitan jauh.

Jill Banfield dan Kenneth Williams

Jill Banfield dan Kenneth Williams mengumpul sampel air dari East River di Colorado untuk mengkaji kehidupan mikrob ekosistem. Kredit: Roy Kaltschmidt/Berkeley Lab

Para saintis menemui bukti jenis ECE yang sama sekali baru semasa belajar Methanoperedens sampel dari tanah kolam tanah lembap bermusim di California. Tidak seperti untaian bulat DNA yang membentuk kebanyakan plasmid, jenis unsur tambahan kromosom yang paling terkenal, ECE baharu adalah linear dan sangat panjang – sehingga satu pertiga panjang keseluruhan Methanoperedens genom. Selepas menganalisis sampel tambahan daripada tanah bawah tanah, akuifer dan dasar sungai di California dan Colorado yang mengandungi archaea yang memakan metana, para penyelidik menemui sejumlah 19 ECE berbeza yang mereka namakan sebagai Borgs. Menggunakan alat analisis genom lanjutan, pasukan menentukan bahawa banyak jujukan dalam Borg adalah serupa dengan gen metabolisasi metana dalam keadaan sebenar. Methanoperedens genom. Sesetengah Borg malah mengekod semua jentera selular yang diperlukan untuk memakan metana sendiri, selagi mereka berada di dalam sel yang boleh mengekspresikan gen.

“Bayangkan satu sel yang mempunyai keupayaan untuk menggunakan metana. Sekarang anda menambah unsur genetik dalam sel itu yang boleh menggunakan metana secara selari dan juga menambah unsur genetik yang memberikan sel kapasiti yang lebih tinggi. Ia pada asasnya mewujudkan keadaan untuk penggunaan metana pada steroid, jika anda mahu,” jelas pengarang bersama Kenneth Williams, seorang saintis kanan dan rakan sekerja Banfield di Kawasan Bumi dan Sains Alam Sekitar Berkeley Lab. Williams mengetuai penyelidikan di tapak Rifle, Colorado tempat Borg berciri terbaik ditemui, dan juga ketua saintis lapangan tapak penyelidikan di East River, berhampiran Crested Butte, Colorado, di mana beberapa persampelan semasa Banfield berlaku.

Tapak padang East River adalah sebahagian daripada Bidang Fokus Saintifik Fungsi Tadahan Air Jabatan Tenaga, projek penyelidikan pelbagai disiplin yang diketuai oleh Berkeley Lab yang bertujuan untuk menghubungkan mikrobiologi dan biokimia dengan hidrologi dan sains iklim. “Kepakaran kami menyatukan perkara yang sering difikirkan dan dianggap sebagai bidang siasatan yang berbeza – sains besar yang menghubungkan segala-galanya daripada gen sehingga ke kawasan tadahan air dan proses atmosfera.”

Rintangan adalah sia-sia satu kelemahan

Banfield dan rakan penyelidiknya di Institut Genomics Inovatif UC Berkeley, termasuk pengarang bersama dan kolaborator lama Jennifer Doudna, membuat hipotesis bahawa Borg boleh menjadi serpihan sisa seluruh mikrob yang ditelan oleh Methanoperedens untuk membantu metabolisme, sama seperti cara sel tumbuhan memanfaatkan mikrob fotosintesis yang dahulunya hidup bebas untuk mendapatkan apa yang kini kita panggil kloroplas, dan cara sel eukariotik purba menggunakan nenek moyang mitokondria hari ini. Berdasarkan persamaan dalam jujukan, sel yang diselubungi mungkin merupakan saudara kepada Methanoperedenstetapi kepelbagaian keseluruhan gen yang terdapat dalam Borgs menunjukkan bahawa pakej DNA ini diasimilasikan daripada pelbagai organisma.

Tidak kira asal usulnya, adalah jelas bahawa Borg telah wujud bersama archaea ini, membawa gen ke sana ke mari, untuk masa yang sangat lama.

Terutama, beberapa Methanoperedens ditemui tanpa Borg. Dan, sebagai tambahan kepada gen yang boleh dikenali, Borgs juga mengandungi gen unik yang mengekodkan protein metabolik lain, protein membran, dan protein ekstraselular yang hampir pasti terlibat dalam pengaliran elektron yang diperlukan untuk penjanaan tenaga, serta protein lain yang mempunyai kesan yang tidak diketahui pada perumah mereka. Sehingga para saintis boleh budaya Methanoperedens dalam persekitaran makmal, mereka tidak akan tahu dengan pasti apakah keupayaan yang diberikan oleh Borg yang berbeza, mengapa sesetengah mikrob menggunakannya, dan mengapa yang lain tidak.

Satu penjelasan yang mungkin adalah bahawa Borgs bertindak sebagai loker penyimpanan untuk gen metabolik yang hanya diperlukan pada masa tertentu. Sedang berlangsung penyelidikan pemantauan metana telah menunjukkan bahawa kepekatan metana boleh berubah dengan ketara sepanjang tahun, biasanya memuncak pada musim luruh dan menurun ke paras terendah pada awal musim bunga. Oleh itu, Borgs memberikan kelebihan daya saing kepada mikrob pemakan metana seperti Methanoperedens semasa tempoh kelimpahan apabila terdapat lebih banyak metana daripada mesin selular asli mereka boleh rosak.

Plasmid diketahui mempunyai tujuan yang sama, dengan cepat menyebarkan gen untuk penentangan terhadap molekul toksik (seperti logam berat dan antibiotik) apabila toksin hadir dalam kepekatan yang cukup tinggi untuk memberikan tekanan evolusi.

“Terdapat bukti bahawa pelbagai jenis Borg kadangkala wujud bersama dalam hos yang sama Methanopreredens sel. Ini membuka kemungkinan bahawa Borgs boleh menyebarkan gen merentasi keturunan, “kata Banfield.

Berani meneroka alam semesta (mikrob).

Sejak menyiarkan artikel mereka sebagai pracetak tahun lepas, pasukan itu telah memulakan kerja susulan untuk lebih memahami cara Borgs boleh menjejaskan proses biologi dan geologi. Sesetengah penyelidik sedang menyisir set data bahan genetik daripada mikroorganisma lain, mencari bukti bahawa Borg wujud dalam hubungan dengan spesies lain.

Semasa rakan sekerjanya menggunakan kaedah berasaskan makmal, pengarang bersama Susan Mullen, seorang pelajar siswazah di makmal Banfield, akan membasahi kakinya dengan beberapa kerja lapangan yang sangat indah. Beliau baru-baru ini memulakan projek untuk mencuba mikrob dari dataran banjir East River sepanjang tahun untuk menilai bagaimana perubahan bermusim dalam kelimpahan Borg dan mikrob lain yang diketahui terlibat dalam kitaran metana berkorelasi dengan fluks bermusim metana.

Menurut pengarang, bertahun-tahun kemudian, mikrob yang dikultur dengan teliti yang penuh dengan Borg boleh digunakan untuk mengurangkan metana dan mengekang pemanasan global. Ini semua untuk memberi manfaat kepada kolektif – kehidupan di Bumi.

Rujukan: “Borgs ialah unsur genetik gergasi yang berpotensi untuk mengembangkan kapasiti metabolik” oleh Basem Al-Shayeb, Marie C. Schoelmerich, Jacob West-Roberts, Luis E. Valentin-Alvarado, Rohan Sachdeva, Susan Mullen, Alexander Crits-Christoph, Michael J. Wilkins, Kenneth H. Williams, Jennifer A. Doudna dan Jillian F. Banfield, 19 Oktober 2022, alam semula jadi.
DOI: 10.1038/s41586-022-05256-1

We want to give thanks to the writer of this article for this incredible content

Bukan Fiksyen Sains: “Borgs” Pemakan Metana Telah Mengasimilasikan Mikrob Bumi


Explore our social media profiles and other related pageshttps://paw6.info/related-pages/