巨大的“博格”DNA 结构使科学家感到困惑
古细菌是单细胞微生物。
研究人员表示他们已经发现了独特并令人兴奋的DNA链，但是其他研究者不确定其新颖性。
“博格”（Borg）已经登陆了。或者说，至少研究人员在地球上发现了他们的类似物。科学家们在分析来自美国西部泥泞地区的样本时发现了不寻常的DNA结构，它们似乎能从其环境中的微生物中清除和“同化”基因，很像虚构的博格人—《星际迷航》中吸收其他物种的知识和技术的外星人。
这些超长的DNA链连接了不同的遗传结构集合（包括环状质粒，circular plasmids），被称为染色体外元件（extrachromosomal element, ECE）。大多数微生物有一条或两条染色体来编码其遗传蓝图。但它们可以寄生在许多不同的ECE中，而且它们之间经常共享物质。这些染色体携带非必需但却有益的基因。
加州大学（University of California）伯克利分校的地球微生物学家Jill Banfield认为，博格结构是一种以前未知的、独特的以及“绝对迷人的”ECE类型。Banfield等人本月早些时候描述了博格结构的发现（B. Al-Shayeb et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/gnsb; 2021）。这项工作还没有经过同行评审。
与以往所见不同
德克萨斯大学（University of Texas）奥斯汀分校的微生物学家Brett Baker表示，虽然博格是DNA结构，但与以往见过的任何结构都不同。其他科学家同意这一发现是令人兴奋的，但质疑博格结构是否真的是独一无二的，并指出它与其它大型ECE有相似之处。
北京中国科学院（Chinese Academy of Sciences）的微生物学家Huang Li表示近年来，人们已经习惯了ECE领域的惊喜。然而，博格结构的发现，无疑丰富了ECE的概念，使该领域的许多人为之着迷。
巨大尺寸（长度从60多万至大约100万个DNA碱基对不等）是区别博格结构的一个特点。Banfield表示，事实上，博格结构如此巨大，以至于它们达到了其宿主微生物中主要染色体长度的三分之一。
Banfield研究微生物如何影响碳循环，包括甲烷（一种强效温室气体）的生产和降解。在2019年，Banfield等人在加利福尼亚湿地中寻找含有参与碳循环的基因的ECE。在那里，他们发现了第一个博格结构，后来从这个地方和科罗拉多州和加利福尼亚州的类似地点确定了19种不同的类型。
博格结构似乎与古细菌（archaea）有关。古细菌是不同于细菌的单细胞微生物。Banfield和她的团队的发现与Methanoperedens科有关，它们消化和破坏甲烷。Banfield表示，而且博格基因似乎也参与了这一过程。
科学家们还不能在实验室里培养Methanoperedens，所以博格结构可能被古细菌用来处理甲烷的结论仅仅是基于基因测序数据。
华盛顿州西雅图系统生物学研究所（Institute for Systems Biology）的生物学家Nitin Baliga表示，他们做了一个有趣的观察。但他提醒，当研究人员筛选许多基因组的碎片并将它们拼凑在一起时，就像Banfield的团队所做的那样，有可能会出现错误。他补充到，博格需要在培养的Methanoperedens中被发现博格结构，这一发现才能被认为是确定性的。
Banfield表示，假设博格结构是真实存在的，维持这样一个巨大的ECE对Methanoperedens来说是耗能的，因此这些结构必须提供一些益处。为了了解这可能是什么，研究人员分析了数百个博格基因的序列。
Banfield认为，博格似乎容纳了整个代谢过程所需的许多基因，包括消化甲烷。她将这些描述为“工具箱”的组成部分，这可能会增强Methanoperedens的能力。
那么，是什么让博格成为博格？除了它们的大小之外，博格结构还有几个共同的结构特征：它们是线性的，而不是像许多ECE那样是环状的；它们在链的两端都有镜像的重复序列；而且它们在假定的基因内部和之间都有许多其它的重复性序列。
单独来看，博格结构的这些特征可能与其它大型ECE中的特征重叠，例如某些嗜盐古菌（salt-loving archaea）中的元件，因此Baliga认为，博格结构的新颖性在现阶段仍值得商榷。阿根廷图库曼微生物工业过程试验工厂（Pilot Plant for Microbiological Industrial Processes）的微生物学家Julián Rafael Dib表示，博格结构也类似于在土壤栖息的放线菌中发现的巨大线性质粒。
Banfield反驳到，虽然博格结构的个体特征之前已经被发现，但“大小、组合和代谢基因负荷”是使它们与众不同的原因。她推测它们曾经是完整的微生物，并且被Methanoperedens同化，就像真核细胞通过同化自由生活的细菌而获得产生能量的线粒体一样。
抵抗是徒劳的
Banfield表示，在分析DNA链的基因组时，研究小组还看到一些特征，表明博格结构已经同化了来自不同来源的基因，包括主要的Methanoperedens染色体。这种“同化”基因的潜力使她的儿子在2020年的感恩节晚餐上提出了“博格”这个名字。
Banfield的团队现在正在调查博格结构的功能和它们的重复DNA的作用。重复DNA对微生物很重要：被称为CRISPR的不同结构的重复是来自病毒的遗传编码片段，微生物将其纳入自己的DNA，以“记住”病原体，这样就能在未来抵御病原体。
CRISPR及其相关蛋白一直是生物技术的福音，因为它们已经被改造成为一种强大的基因编辑技术，提暗示着博格基因组也可能产生有用的工具。Banfield表示，它可能和CRISPR一样重要和有趣，但她认为这将是一个新事物。Banfield正在与她的预印本共同作者Jennifer Doudna合作进行未来的研究，Doudna是伯克利大学基于CRISPR的基因编辑的先驱。
研究人员认为博格结构的一个潜在应用可能是帮助对抗气候变化。促进含有博格结构氏菌的微生物的生长可以减少土栖古细菌产生的甲烷排放量，这些甲烷每年在全球范围内增加约10亿吨。
原文检索：
Amber Dance. (2021) Massive DNA “Borg” structures perplex scientists. Nature, 595: 636. 郭庭玥/编译
