这种好像来自外星的神秘DNA,究竟是啥?

遗传信息也可以在物种间传递转化

本文来自微信公众号:学术经纬(ID:Global_Academia),药明康德内容团队编辑,头图来自:视觉中国

近日,《科学》与《自然》杂志官网齐齐报道了一篇最新上线的论文——科学家们在野外找到一种奇特的DNA,其结构让研究人员们惊呼“前所未见”。更古怪的是,这种DNA看似还能从周围环境中的微生物里抓取基因,让它们成为自己的一部分,很有武侠小说中“吸星大法”的感觉。

这种DNA被命名为“博格”,来自科幻电视剧里的邪恶种族(图片来源:Marcin Wichary, CC BY 2.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/2.0>, via Wikimedia Commons)

本论文的通讯作者Jillian Banfield教授将这种神秘DNA命名为“博格”(Borg),来自科幻剧《星际穿越》里的邪恶外星种族。这种外星生物会同化遇到的其它生命,让自身变得更加完美。Banfield教授坦言,起名的灵感来自她热爱科幻的儿子。

“博格DNA”究竟是什么?没有人知道答案。Banfield教授在加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的课题组原本想要研究能降解温室气体甲烷的古细菌,以及能感染这些古细菌,从而影响其甲烷降解能力的病毒。

Banfield教授发现“博格DNA”的过程可谓是意外收获(图片来源:Banfield教授课题组官网)

由于古细菌多生活在厌氧环境下,研究人员们得挖一米多深的坑才能抵达它们的居住地。随后,这些科学家把泥土样本带回实验室做测序分析,获取里头每一条DNA的序列,再通过计算机程序寻找其中来自病毒的DNA。

“我们的研究从一小块泥土和十万亿条DNA开始。” Banfield教授说道。

有意思的是,从她家后院获得的一份泥土样本,竟有一段超长的DNA,长度接近一百万个碱基。这条DNA里暗藏大量基因,其中超过一半都是全新的基因。

不同的“博格DNA”含有接近的遗传结构(图片来源:参考资料[1]

而且这种DNA有着非常特殊的结构——它们的头和尾都有近乎镜像的序列,在基因之间也有特殊的重复序列。此外,它上边还有可供DNA启动复制的序列,表明此类DNA有进行自我复制的潜力。综合来看,这些发现表明这种DNA不是随机产生的。

通过比对,研究人员们也发现这种DNA里既含有来自古细菌的基因,也含有一些对于代谢至关重要的基因,可谓是五花八门。“博格DNA”的名字也由此而来。

知道了“博格DNA”的特性后,这支科研团队又做了大量的数据库检索,发现它普遍存在于不同地区——从Banfield教授家的后院到加州废弃的水银矿,再到科罗拉多州的河床与地下水……研究人员们一共找到了23种潜在的“博格DNA”,其中19种与首个被发现的“博格DNA”具有一样的特性。

本文发表在预印本网站bioRxiv上,研究人员们也期待同行评议能带来更多灵感与思考(图片来源:参考资料[1]

对于这个发现,一些微生物学家们表示这些DNA的结构“前所未见”。从本质上看,此类DNA的官方术语叫做“染色体外元件”(extrachromosomal elements),指存在于染色体之外的遗传物质。最常见的例子就是细菌里的质粒,能让细菌对抗生素产生耐受性。

但“博格DNA”与常见的质粒相比,尺寸实在是大太多了。Banfield教授表示,光从长度上看,它的尺寸已接近微生物染色体长度的三分之一。

从演化的角度上看,要保持如此长的DNA,是一件吃力不讨好的事。研究人员们猜测,既然它们的序列中都含有来自古细菌的基因,或许这些“博格DNA”对于古细菌的生存是不可或缺的。遗憾的是,研究人员还无法在实验室培养这些古细菌,因此无从检验这一想法。

关于“博格DNA”的功能,一种解释是认为它能与古细菌共存。图中的红色为“博格DNA”编码的蛋白质(图片来源:参考资料[1]

还有另外一些看似疯狂的解释,比如“博格DNA”来自某种未知的微生物,随后被其它古细菌所同化,正如线粒体被真核细胞所同化一般。又或者,这些“博格DNA”本身是一种巨型病毒……

它究竟是什么?很多科学家们正在等待答案。

不管“博格DNA”具体具有怎样的功能,它的存在都说明了一个事实——很多遗传元件能在不同染色体间,甚至不同物种间“跳跃”,让生命更好地适应环境。这也正是生命的神奇之处。

参考资料:

[1] Basem Al-Shayeb et al., (2021), Borgs are giant extrachromosomal elements with the potential to augment methane oxidation, bioRxiv, DOI: https://doi.org/10.1101/2021.07.10.451761

[2] Mysterious DNA sequences, known as ‘Borgs,’ recovered from California mud, Retrieved July 19, 2021, from https://www.sciencemag.org/news/2021/07/mysterious-dna-sequences-known-borgs-recovered-california-mud

[3] Massive DNA ‘Borg’ structures perplex scientists, Retrieved July 19, 2021, from https://www.nature.com/articles/d41586-021-01947-3

本文来自微信公众号:学术经纬(ID:Global_Academia),药明康德内容团队编辑

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