В сериале "Звездный путь" борги - кибернетические пришельцы, которые ассимилируют людей и других существ для достижения совершенства.
Поэтому, когда Джилл Бэнфилд, геомикробиолог из Калифорнийского университета в Беркли, просматривая ДНК из образцов ила со своего заднего двора, обнаружила странную линейную хромосому, включающую гены различных микробов, ее сын, поклонник сериала "Star Trek", предложил назвать ее в честь фантастических пришельцев.
Новый тип генетического материала был загадочным. Возможно, это была часть вирусного генома. Может быть, это была странная бактерия. А может быть, это был просто независимый фрагмент ДНК, существующий вне клеток. Что бы это ни было, это "довольно интересно", - говорит У. Форд Дулиттл, эволюционный биолог из Университета Далхаузи, который не принимал участия в работе.
Исследователи обнаружили множество примеров ДНК, независимо плавающих вне хромосомы или хромосом, составляющих стандартный геном организма. Например, плазмиды существуют внутри микробов и передают гены для борьбы с антибиотиками между различными видами бактерий.
Но Банфилд не искала ДНК, которая могла бы перемещаться между организмами. Вместо этого она и аспирант Басем Аль-Шайеб искали вирусы, которые заражают архей - тип микробов, часто встречающихся в местах, лишенных кислорода. Они опускались на глубину 1 м и более под поверхность и собирали образцы грунта, в котором могут обитать археи и их вирусы. Затем они составляли последовательность каждого участка ДНК в образцах и использовали сложные компьютерные программы для поиска последовательностей, которые указывали на наличие вируса, а не какого-либо другого организма.
"Мы начали с куска грунта и 10 триллионов фрагментов ДНК", - говорит Банфилд. Один образец, взятый из ила на ее участке, содержал заполненный генами участок ДНК длиной почти 1 миллион оснований, причем более половины генов были новыми. Этот линейный участок ДНК также имел особый рисунок оснований в начале и конце, отчетливые участки повторяющейся ДНК между генами и два места в последовательности, где могла начаться дупликация ДНК, что указывало на то, что борг мог создавать копии самого себя. Все вместе это позволило предположить, что это не просто случайное сочетание генов.
После идентификации первой последовательности боргов исследователи начали сканировать ДНК микроорганизмов в общедоступных базах данных, чтобы выяснить, можно ли найти что-нибудь похожее. Они нашли несколько вариантов в грунтовых водах Колорадо - там первые предполагаемые борги появились на глубине около 1 метра и становились все более многочисленными глубже. Другие версии были обнаружены в ДНК из стоков заброшенной ртутной шахты в Напе, Калифорния, и из неглубокого русла реки Ист-Ривер в Колорадо.
В общей сложности исследователи выделили 23 последовательности, которые, по их мнению, могут быть боргами, и 19 идентифицировали как обладающие всеми характеристиками первого обнаруженного ими борга, о чем они пишут на сервере препринтов bioRxiv. Длина некоторых из них составляет почти 1 миллион оснований.
"Я не думаю, что среди ранее известных внехромосомных элементов ДНК есть что-то еще, что было обнаружено, настолько большое, как эти парни",
- говорит Дулиттл.
Во всех случаях копии боргов встречались вместе с ДНК, связанной с окисляющим метан археем под названием Methanoperedens. Это говорит о том, что борги могут существовать внутри микроорганизма, считают исследователи. Но поскольку Methanoperedens нельзя вырастить в лаборатории, исследователи не смогли подтвердить это предположение. Между тем, члены группы исключили возможность того, что борги произошли от другого микроорганизма, поскольку у них отсутствуют многие необходимые для жизни гены, или от вируса, у которого обычно более короткие хромосомы.
Но Грэм Хэтфулл, микробиолог из Питтсбургского университета, задается вопросом, могут ли существовать другие крупные вирусы, похожие на захватчиков бактерий, которые он сам открыл, и инфицирующие архей. Может ли борг быть частью таких вирусов? Доказать это будет непросто, признает он. "Если вы хотите узнать о биологии [боргов], то экспериментально это очень сложно". По его словам, находка подтверждает идею о том, что многие генетические элементы могут перемещаться между хромосомами организма или между организмами, что облегчает существам приобретение новых генов для адаптации к изменениям в окружающей среде.
Каждый борг - которые теперь названы в честь таких цветовых оттенков, как "оливковый" и "сиреневый" - включает не только новые гены, но и узнаваемые гены, функции которых уже известны ученым. Например, некоторые из них содержат гены, важные для переработки метана; такие гены, по-видимому, были получены от конкретных микроорганизмов, таких как Methanoperedens. Поскольку метан является парниковым газом, который многие микробы либо разрушают, либо производят, исследователи предполагают, что борги могут влиять на этот круговорот, повышая способность своего хозяина перерабатывать метан.
Банфилд говорит, что она и ее коллеги не знают, как возникли борги, но они подозревают, что когда-то последовательности ДНК были геномами близкого родственника Methanoperedens, который был захвачен и начал жить внутри архея. В итоге внутри микроорганизма осталась только ДНК, теперь уже сильно измененная, но отдельно от собственной хромосомы.
Банфилд надеется, что открытие ее группы побудит других исследователей искать борги в своих любимых микробах, особенно в тех, которые обитают в среде с малым количеством кислорода или вообще без него. А Хатфулл предсказывает, что будут найдены новые борги и в других микроорганизмах, помимо Methanoperedens. Тем временем, он и другие исследователи с нетерпением ждут рецензируемой версии статьи Банфилда и подтверждения экспериментальной работы над боргами.
"Что они такое?" спрашивает Дулиттл. "Это интересный вопрос, который требует ответа".
