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(Noticias de Nanowerk) En el Star Trek, los Borg son un colectivo despiadado de mente de colmena que asimila a otros seres con la intención de apoderarse de la galaxia. Aquí, en el planeta Tierra no ficticio, los Borg son paquetes de ADN que podrían ayudar a los humanos a combatir el cambio climático.
El año pasado, un equipo dirigido por Jill Banfield descubrió estructuras de ADN dentro de un microbio que consume metano llamado metanooperedens que parecen sobrecargar el metabolismo del organismo. Llamaron a los elementos genéticos «borgs» porque el ADN dentro de ellos contiene genes que han sido asimilados por muchos organismos.
En un estudio publicado en Naturaleza («Los Borg son elementos genéticos gigantes con el potencial de expandir la capacidad metabólica»), los investigadores describen la curiosa colección de genes en Borgs y comienzan a estudiar el papel que juegan estos paquetes de ADN en procesos ambientales como el ciclo del carbono.
Primer contacto
El metano almacena 30 veces más calor que el dióxido de carbono y se estima que es responsable de alrededor del 30 por ciento del calentamiento global causado por el hombre. El gas es liberado naturalmente por procesos geológicos y por arqueas productoras de metano; sin embargo, los procesos industriales liberan metano almacenado a la atmósfera en cantidades preocupantes.
Banfield, científico de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y profesor de Ciencias de la Tierra y Planetarias y Ciencias, Políticas y Gestión Ambientales en UC Berkeley, estudia cómo la actividad microbiana da forma a los procesos ambientales a gran escala y, a su vez, cómo el medio ambiente Las fluctuaciones alteran los microbiomas del planeta. Como parte de este trabajo, ella y sus colegas toman muestras regulares de microbios en diferentes hábitats para ver qué genes interesantes usan los microbios para sobrevivir y cómo esos genes podrían afectar los ciclos globales de elementos clave como el carbono, el nitrógeno y el azufre.
El equipo estudia los genomas de las células, así como los paquetes portátiles de ADN conocidos como elementos extracromosómicos (ECE) que transfieren genes entre bacterias, arqueas y virus. Estos elementos permiten que los microbios adquieran rápidamente genes útiles de sus vecinos, incluidos aquellos que solo tienen una relación lejana.
mientras aprende metanooperedens Los científicos encontraron evidencia de una especie completamente nueva de ECE muestreada de suelo estacional en humedales en California. A diferencia de las hebras circulares de ADN que componen la mayoría de los plásmidos, el tipo más familiar de elemento extracromosómico, los nuevos ECE son lineales y muy largos, hasta un tercio de la longitud total. metanooperedens genoma
Después de analizar muestras adicionales de suelos subterráneos, acuíferos y lechos de ríos en California y Colorado que contienen arqueas que consumen metano, el equipo descubrió un total de 19 ECE diferentes, a los que llamaron Borgs.
Usando herramientas avanzadas de análisis genómico, los científicos descubrieron que muchas de las secuencias dentro de los Borg se parecen a los genes que metabolizan el metano dentro de los reales. metanooperedens genoma Algunos de los Borg incluso codifican toda la maquinaria celular necesaria para comer metano, siempre que estén en una célula capaz de expresar los genes.
“Imagínese una sola célula que pueda consumir metano. Ahora agregue elementos genéticos dentro de esa célula que puedan consumir metano en paralelo y también agregue elementos genéticos que le den a la célula una mayor capacidad. Básicamente, crea una condición para el consumo de metano con esteroides, por así decirlo”, explicó el coautor Kenneth Williams, científico principal y colega de Banfield en el departamento de Ciencias Ambientales y de la Tierra en Berkeley Lab.
Williams dirigió la investigación en el sitio de Rifle, Colorado, donde se recuperó el Borg mejor caracterizado, y también es el científico de campo principal en un sitio de investigación de East River cerca de Crested Butte, Colorado, donde se realizan algunos de los muestreos actuales de Banfield.
El campo East River es parte del área de enfoque científico Watershed Function del Departamento de Energía, un proyecto de investigación multidisciplinario dirigido por Berkeley Lab que tiene como objetivo vincular la microbiología y la bioquímica con la hidrología y la ciencia del clima. «Nuestra experiencia reúne lo que a menudo se considera y trata como áreas de investigación muy diferentes: la gran ciencia que conecta todo, desde los genes hasta los puntos de inflexión y los procesos atmosféricos».
la resistencia es fútil una desventaja
Banfield y sus colegas investigadores del Instituto de Genómica Innovadora de UC Berkeley, incluida la coautora y colaboradora de mucho tiempo Jennifer Doudna, plantean la hipótesis de que los borgs podrían ser fragmentos remanentes de microbios completos que devoraron. metanooperedens para apoyar el metabolismo, al igual que las células vegetales utilizaron microbios fotosintéticos de vida libre para hacer lo que ahora llamamos cloroplastos, y cómo una antigua célula eucariota consumió los ancestros de las mitocondrias actuales. Según las similitudes en las secuencias, la célula envuelta puede haber sido un pariente de metanooperedenspero la diversidad general de genes que se encuentran en los Borg sugiere que estos paquetes de ADN fueron asimilados por una variedad de organismos.
Independientemente del origen, está claro que los Borg han existido junto con estas arqueas durante mucho tiempo, y los genes van y vienen.
especialmente algunos metanooperedens fueron encontrados sin borgs. Y además de los genes reconocibles, los Borg también contienen genes únicos que codifican otras proteínas metabólicas, proteínas de membrana y proteínas extracelulares casi con seguridad involucradas en la conducción de electrones necesaria para la producción de energía, así como otras proteínas que tienen efectos desconocidos en sus anfitriones. . Hasta que los científicos puedan cultivar metanooperedens En un entorno de laboratorio, no saben exactamente qué habilidades otorgan los diferentes Borg, por qué algunos microbios las usan y por qué otros no.
Una explicación probable es que los borgs sirven como almacenamiento de genes metabólicos que solo se necesitan en ciertos momentos. La investigación de monitoreo de metano en curso ha demostrado que las concentraciones de metano pueden variar significativamente a lo largo del año, alcanzando su punto máximo en el otoño y cayendo a sus niveles más bajos en la primavera. Por lo tanto, a los Borg les gusta dar a los microbios comedores de metano una ventaja competitiva. metanooperedens en tiempos de abundancia, cuando hay más metano del que puede manejar su maquinaria celular natural.
Se sabe que los plásmidos tienen un propósito similar, propagando rápidamente genes de resistencia a moléculas tóxicas (como metales pesados y antibióticos) cuando las toxinas están presentes en concentraciones lo suficientemente altas como para ejercer presión evolutiva.
«Existe evidencia de que diferentes tipos de Borg a veces coexisten en la misma célula huésped de Methanopreredens. Esto abre la posibilidad de que los Borg propaguen genes entre linajes», dijo Banfield.
Explore audazmente el universo (microbiano)
Desde la publicación de su artículo en preimpresión el año pasado, el equipo ha comenzado un trabajo de seguimiento para comprender mejor cómo los Borg pueden afectar los procesos biológicos y geológicos. Algunos investigadores están revisando conjuntos de datos que contienen material genético de otros microorganismos, en busca de evidencia de que los Borg existen en asociación con otras especies.
Mientras sus colegas usan métodos de laboratorio, la coautora Susan Mullen, estudiante de posgrado en el laboratorio de Banfield, se mojará los pies con un trabajo de campo muy pintoresco. Recientemente inició un proyecto que tomará muestras de microbios de las llanuras aluviales del East River durante todo el año para evaluar cómo los cambios estacionales en la abundancia de Borg y otros microbios que se sabe que están involucrados en el ciclo del metano se correlacionan con los flujos estacionales de metano.
Según los autores, los microbios cuidadosamente criados cargados con Borgs podrían usarse para reducir el metano y frenar el calentamiento global en los próximos años. Sirve al colectivo – la vida en la tierra.
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