В Калифорнии ученые нашли в грязи загадочную последовательность ДНК

Джилл Бэнфилд, геомикробиолог из Калифорнийского университета в Беркли, анализировала ДНК, найденную в грязи на своем заднем дворе и обнаружила странную линейную хромосому, включающую гены различных микробов, сообщает sciencemag.org

Ее сын Трекки предложил назвать находку в честь пришельцев из научно-фантастического фильма – борг. Новый тип генетического материала был загадкой для ученой. Может быть, это часть вирусного генома. Может, это странная бактерия. Или, может быть, это был просто независимый фрагмент ДНК, существующий вне клеток. Как бы то ни было, это "довольно интересная находка", — говорит У. Форд Дулиттл, биолог-эволюционист из Университета Далхаузи, Канада.

Ученые обнаружили множество примеров ДНК, независимо плавающих вне хромосомы или хромосом, составляющих стандартный геном организма. Например, небольшие спирали, называемые плазмидами, существуют внутри микробов и переносят гены, препятствующие распространению антибиотиков среди различных видов бактерий.

Но Бэнфилд не искала ДНК, которая могла бы перемещаться между организмами. Вместо этого она и аспирант Басем Аль-Шайеб искали вирусы, заражающие архей, тип микробов, который часто встречается в местах, лишенных кислорода. На глубине 1 метр и более они собирали образцы грязи, которые могли содержать архей и их вирусы. Затем они секвенировали каждый участок ДНК в образцах и использовали сложные компьютерные программы для сканирования последовательностей, которые обозначают вирус, а не какой-либо другой организм.

"Мы начали с комка грязи и 10 триллионов фрагментов ДНК", — говорит Бэнфилд. Один образец, взятый из грязи на ее территории, содержал заполненный генами участок ДНК длиной почти в 1 миллион оснований — и более половины генов были новыми.

Этот линейный участок ДНК также имел особую схему оснований в начале и в конце, отдельные участки повторяющейся ДНК между его генами и два места вдоль последовательности, где могла начаться дупликация ДНК, что указывало на то, что борг мог создавать копии самого себя. В совокупности это говорит о том, что это не просто случайная смесь генов.

После того, как ученые идентифицировали первую последовательность боргов, исследователи начали поиск микробной ДНК в общедоступных базах данных, чтобы понять, могут ли они найти что-нибудь подобное.

Они обнаружили несколько вариаций в грунтовых водах в Колорадо — там первый предполагаемый борг обнаружился на глубине около 1 метра. Другие версии обнаружились в ДНК из стоков заброшенной ртутной шахты в Калифорнии.

В общей сложности ученые выделили 23 последовательности, которые, по их мнению, могут быть боргами, и 19, которые обладают всеми характеристиками первого обнаруженного ими борга. Некоторые из них имеют длину почти в 1 миллион оснований.

"Я не думаю, что что-либо другое, что было открыто, имеет такое же величайшее значение, как это открытие среди ранее известных внехромосомных элементов ДНК", — говорит Дулиттл.

Повсюду копии борга встречались вместе с ДНК, связанной с окисляющим метан археями под названием Methanoperedens. Это говорит о том, что борги могут существовать внутри микроба, говорят ученые. Но поскольку Methanoperedens нельзя выращивать в лаборатории, исследователи не смогли подтвердить это предположение. Между тем, члены команды исключили возможность того, что борг произошел от другого микроба, поскольку им не хватает многих необходимых для жизни генов или вируса, который обычно имеет более короткие хромосомы.

Но Грэм Хатфулл, микробиолог из Университета Питтсбурга, задается вопросом, могут ли существовать другие крупные вирусы, подобные вирусам, вторгшимся в бактерии, которые он помог обнаружить, которые заражают архей. Могут ли борги быть частью таких вирусов?

Он признает, что продемонстрировать это будет непросто. "Если вы хотите узнать больше о биологии борга, это действительно сложно с экспериментальной точки зрения".

По его словам, находка поддерживает идею о том, что многие генетические элементы могут перемещаться между хромосомами организма или между организмами, что упрощает для существ приобретение новых генов для адаптации к изменениям в окружающей их среде.

Каждый борг, которых назвали "оливковый" и "сиреневый", включает не только новые гены, но и гены, функции которых ученым уже известны. Например, некоторые из них содержат гены, необходимые для обработки метана. Такие гены, по-видимому, были получены от определенных микробов, таких как Methanoperedens. Поскольку метан — это парниковый газ, который многие микробы либо расщепляют, либо производят, ученые предполагают, что борги могут влиять на этот круговорот, повышая способность своего хозяина перерабатывать метан.

Бэнфилд говорит, что она и ее коллеги не знают, как возникли борги, но они предполагают, что когда-то последовательности ДНК были геномами близкого родственника Methanoperedens, которые были извлечены и начали жить внутри архея. В конце концов внутри микроба остается только ДНК, которая теперь сильно модифицирована, но отделена от собственной хромосомы.

Бэнфилд надеется, что открытие ее команды побудит других исследователей искать боргов в своих любимых микробах, особенно в среде с низким содержанием кислорода или с его полным отсутствием.

"Остается вопрос — кто они такие, эти богри?" — говорит Дулитл. "Это интересный вопрос, на который нужно еще ответить".