Неизвестные ранее генетические элементы назвали в честь цивилизации Борг

В процессе генетического анализа микробного сообщества болота американские ученые обнаружили новый тип огромных генетических элементов, вероятно, способных ассимилировать гены архей. По этой причине их назвали в честь цивилизации Борг из научно-фантастического сериала «Звездный путь». По всей видимости, эти ранее неизвестные элементы принадлежат микроорганизмам, окисляющим метан. Данные предварительно опубликованы в виде препринта на сайте BioRxiv, также о них можно прочитать в редакционной заметке Science.

Обновлено: в октябре 2022 года статья опубликована в Nature.

Кроме бактерий и эукариот, к которым относятся и млекопитающие, систематики выделяют третий домен живых организмов — археи. Фенотипически их можно назвать микробами, однако они довольно сильно отличаются от бактерий биохимически, почему и были отделены от них в отдельную группу. Многие представители архей живут в экстремальных условиях — при высоких температурах, в условиях повышенной солености, высокого давления.

Кроме того, некоторые виды архей привлекают внимание экологов, так как активно участвуют в круговороте атмосферного метана — парникового газа. Разные виды архей могут как продуцировать метан, выделяя его в атмосферу, так и метаболизировать его. Эти виды живут в бескислородных условиях, которые характерны, например, для болот.

Генетики из Университета Калифорнии в Беркли изучали одно из таких сообществ болотных архей путем анализа их метагенома, то есть «сборной солянки» ДНК всех микроорганизмов из данного образца. Такой метод часто применяется для анализа ДНК архей, так как в лаборатории их сложно или невозможно культивировать. В процессе анализа ученые обнаружили ранее неизвестные элементы, для четырех из которых удалось полностью восстановить последовательность ДНК. Это оказались большие (от 600 до 900 тысяч пар оснований) линейные молекулы ДНК, ограниченные длинными инвертированными повторами. Генетики предположили, что молекулы существуют в клетках как отдельные экстрахромосомные элементы.

Элементы оказались обогащены повторяющимися последовательностями, имели старт начала репликации (копирования), а также систему защиты от мобильных элементов в формате CRISPR-Cas. Кроме того, они содержали множество новых генов с неизвестной функцией. Тем не менее, 20 процентов всех генов исследователи идентифицировали как принадлежащие роду архей Methanoperedens. Анализ разных образцов почвы показал, что наличие генетических элементов совпадает с наличием этих архей, поэтому предварительно Methanoperedens назвали хозяевами неизвестной ДНК. Гипотезу о том, что они являются частью генома неизвестного вида ученые отмели, так как на элементах не нашли генов, кодирующих аппарат синтеза белка. Гены Methanoperedens, видимо, попали в эти молекулы путем горизонтального переноса.

За способность интегрировать гены исследователи назвали новые элементы Борг — в честь расы, или цивилизации существ из сериала «Звездный путь» (StarTrek), которые ассимилировали в себя различные технологии и объекты. Четыре полностью собранных борга назвали отдельными цветами — черный, голубой, пурпурный и лиловый. Ученые отметили, что борги совершенно не похожи на известные внехромосомные элементы, такие как плазмиды, так как не содержат никаких характерных для них элементов. Однако, не исключено, что эти элементы могут передаваться между клетками как некоторые другие внехромосомные элементы.

Среди найденных на боргах архейных генах генетики особо отметили ген ключевого фермента окисления метана. Если предположить, что борги передаются между клетками в процессе горизонтального переноса, значит гены метаболизма метана могут таким образом распространяться между микроорганизмами, участвуя в эволюции архей.

Подробнее про феномен горизонтального переноса можно прочитать в нашем материале «Поверх барьеров».

Дарья Спасская