一种神秘的遗传结构

　　地球上的博格
　　在著名科幻故事《星际迷航》中，博格人是一群冷酷无情、具有蜂巢集体意识的外星种族，他们的目标是同化所有其他生物，并最终达到完美，掌控整个星系。
　　然而，在我们这个非虚构的地球上，博格则是一种可以帮助人类对抗气候变化的DNA包。
　　去年，一组研究团队在一种名为Methanoperedens的以甲烷为食的微生物中，发现了一种不同寻常的DNA结构，这种结构似乎能够提高生物的新陈代谢率。
　　研究人员受到《星际迷航》的启发，将这些遗传元件命名为博格，因为其中的DNA包含从许多生物中吸收的基因。这些DNA包或许能够在环境过程（如碳循环）中发挥重要作用。论文已于近日发表在《自然》上。
　　第一次接触
　　Methanoperedens是一可以分解土壤、地下水和大气中的甲烷（CH4）来支持细胞代谢的古菌。古菌是类似细菌的单细胞生物，但它们代表着生命世界中另一个独特的分支。
　　Methanoperedens和其他以甲烷为食的微生物生活在世界各地不同的生态系统中，但通常认为，它们不如那些利用光合作用、氧气或发酵获得能量的微生物那么常见。
　　尽管如此，这类微生物却有着特殊的本领。甲烷是最强效的一种温室气体，它捕获热量的能力是二氧化碳的30倍，估计约占人类造成的全球变暖的30。在自然界，一些地质过程和古菌可以释放这种气体；但工业过程正在将大量甲烷排放回大气中。以甲烷为食的微生物可以清除大气中的甲烷，这在地球系统过程中发挥了巨大的作用。
　　微生物的活动会如何塑造大规模的环境过程，以及环境波动又会如何改变地球上的微生物群，是一个重要的研究课题。在新的研究中，研究团队定期对不同栖息地的微生物取样，以了解微生物正在使用哪些有趣的基因进行生存，以及这些基因如何影响着一些关键元素（比如碳、氮、硫）的全球循环。
　　他们研究了细胞内的基因组，以及一种被称为染色体外元件（ECE）的便携式DNA包，它们可以在细菌、古菌和病毒之间传递基因。这些元件让微生物能够迅速从它们的邻居那里，甚至是从那些只有遥远亲缘关系的邻居那里，获得有益的基因。
　　在研究从加利福尼亚州的季节性湿地池塘的土壤中取样到的Methanoperedens古菌时，科学家发现了一种全新类型的ECE的证据。
　　与构成大多数质粒（一类最著名的染色体外元件）的DNA环链不同，这种新型的ECE是线性的，而且非常长，它的长度甚至可达整个Methanoperedens基因组的三分之一。
　　在分析了加利福尼亚州和科罗拉多州的地下土壤、含水层和河床等含有以甲烷为食的古菌的其他样本后，团队发现了共19种不同的ECE，他们称之为博格。利用先进的基因组分析工具，科学家发现，博格中许多序列与实际Methanoperedens基因组中的甲烷代谢基因很相似。
　　一些博格甚至编码了所有必要的细胞机器，也就是说，只要它们在一个能够表达基因的细胞里，就可以自己开始吃甲烷。
　　抵抗是徒劳的
　　根据推测，博格可能用于帮助代谢的被Methanoperedens吞噬的整个微生物的残留片段。
　　这可能很像古老的植物细胞利用曾经自由生活的光合微生物，获得了我们现在所说的叶绿体，还有古老的真核细胞成就了今天线粒体的故事。（更多有关线粒体的故事详见《它只发生过一次，却永远改变了地球生命的进程》）。
　　根据序列的相似性，被吞噬的细胞可能是Methanoperedens的一个亲戚，但在博格中发现的基因整体多样性表明，这些DNA包是从广泛的生物中吸收而来的。这也不禁让人想起，在科幻中的博格人那句著名的名言抵抗是徒劳的。
　　无论起源如何，很明显，博格已经与这些古菌共存了很长时间，基因在它们之间来回传递。
　　值得注意的是，一些Methanoperedens被发现时并没有博格。而且，除了可识别的基因外，博格还包含了其他独特的基因，它们编码了其他代谢蛋白、膜蛋白和几乎可以肯定参与能量生成所需的电子传导的细胞外蛋白，还有一些对宿主有着尚不可知的影响的其他蛋白质。
　　在科学家能够在实验室环境中培养出Methanoperedens之前，他们还无法确定不同的博格掌握着怎样的能力，以及为什么有些微生物会使用它们，而其他一些则不会。
　　一种可能的解释是，博格作为代谢基因的储存柜，只在某些时候才会被需要。
　　正在进行的甲烷监测研究表明，甲烷浓度在一年之中会产生很大的变化，通常在秋季达到高峰，而在早春则降到最低水平。因此，在甲烷丰富的时期，当有更多甲烷超过它们的细胞机器可以分解的时候，博格就为像Methanoperedens这样的以甲烷为食的微生物提供了竞争优势。
　　众所周知，质粒也有类似的作用，当毒素的浓度高到足以施加进化压力时，质粒会迅速传播对有毒分子（比如重金属和抗生素）的抵抗基因。
　　有证据表明，不同类型的博格有时会在同一宿主Methanopreredens细胞中共存。这开启了一种可能性，那就是，博格可能正在跨系传播基因。
　　大胆探索微生物的宇宙
　　自从去年这篇论文在预印本上发布后，团队已经开始了后续工作，从而更好地了解博格可能如何影响生物和地质过程。
　　一些研究人员正在梳理来自其他微生物遗传材料的数据集，寻找证据表明博格与其他物种共同存在。
　　此外，他们还继续进行了一些实地项目，比如对东河河漫滩的微生物进行全年采样，从而评估博格的丰度和其他已知参与甲烷循环的微生物的季节性变化，以及它们与甲烷的季节性通量产生了怎样的联系。
　　或许有朝一日，精心培养的带有博格的微生物，可以用来降低甲烷水平，甚至遏制全球变暖。而这一切都是为了造福我们这个大集体，也就是这颗星球上的所有生命。
　　参考来源：
　　https：newscenter。lbl。gov20221019methaneeatingborgshavebeenassimilatingearthsmicrobes
　　封面图首图：JennyNuss，BerkeleyLab