دی ان ای قدرتمند “بورگ” باکتری های متان خوار را عجیب تر از همیشه می کند

وقتی صحبت از گرم کردن زمین به میان می آید، متان 80 برابر موثرتر از CO2 است و مسئول 30 درصد کل گرمایش جهانی است که سیاره ما تجربه می کند.

به گزارش تک ناک،به همین دلیل است که باکتری‌هایی که متان مصرف می‌کنند و غلظت آن‌ها را در محیط ما کاهش می‌دهند، از اهمیت زیادی برخوردار هستند، زیرا به ما در مبارزه با تغییرات آب و هوایی کمک می‌کنند.
اما چگونه این باکتری ها می توانند گاز خفه کننده متان را مصرف کنند؟ محققان در حالی که به دنبال پاسخی برای این سوال بودند، در سال 2021، تیمی از محققان در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی با بسته‌های DNA خاصی در باکتری متان‌خوار بی‌هوازی به نام Methanoperedens برخورد کردند. این بسته‌های DNA به طرز شگفت‌آوری با کروموزوم اصلی باکتری متفاوت بودند و حتی قدرت افزایش فعالیت متابولیک میکروارگانیسم را داشتند.
محققان نام این عناصر خارج کروموزومی (ECE) را “بورگ” گذاشتند. اکنون در مطالعه‌ای که اخیراً منتشر شده است، آنها نقشی را که Borg DNA در مصرف متان و سایر خدمات اکوسیستمی که میکروب‌ها انجام میدهند، روشن کرده‌اند.

بورگ ها تقویت کننده متابولیسم برای میکروب ها هستند

در طول مطالعه خود، محققان نمونه هایی را از خاک های بدون اکسیژن (کم اکسیژن)، سفره های زیرزمینی و بستر رودخانه ها جمع آوری کردند. آنها به دنبال ژن هایی بودند که به باکتری های متان خوار اجازه زنده ماندن و مشارکت در چرخه های مختلف طبیعی شامل عناصری مانند نیتروژن و کربن را می دادند. محققان 19 ECE یا بورگ را در Methanoperedens شناسایی کردند که حاوی ژن هایی بودند که قادر به تجزیه متان بودند.
آنها ادعا می کنند که وقتی صحبت از متان می شود، ECE ها به اندازه ژنوم میکروب قدرتمند بودند. برخی از بسته‌های دی‌ان‌ای بورگ آنقدر در مصرف متان خوب هستند که تنها به یک سلول برای بیان ژن‌ها نیاز دارند و می‌توانند از بقیه مکانیسم‌هایی که برای انجام این کار لازم است مراقبت کنند.

نویسندگان جیل بانفیلد و ماری شولمریچ در حالی که ماهیت متمایز ECE ها را توضیح می دهند به IE گفتند: DNA بورگ به دلایل مختلف به وضوح از کروموزوم اصلی میکروارگانیسم ها متمایز است. Borg DNA ماشین آلات ریبوزومی را رمزگذاری نمی کند (ریبوزوم ماشین سنتز پروتئین هر موجود زنده است) و همچنین مسیرهای متابولیک کامل یا سیستم های حفظ انرژی را رمزگذاری نمی کند. با این حال، آن‌ها ژن‌هایی را رمزگذاری می‌کنند که برای فرآیندهای مرکزی میزبان‌هایشان ضروری است، که نشان می‌دهد می‌توانند توانایی‌های متابولیک را افزایش داده و گسترش دهند.

اعتقاد بر این است که کلروپلاست، اندامک سلولی ویژه در گیاهان که نور خورشید را به دام می اندازد و از طریق فتوسنتز به انرژی شیمیایی تبدیل می شود، در نتیجه گیاهانی که میکروب های باستانی را بلعیده اند و فتوسنتز را انجام می دهند، تشکیل شده است. مشابه با این نظریه، نویسندگان مطالعه کنونی همچنین فرض می‌کنند که بورگ از بقایای بسیاری از میکروب‌های دیگر که قبلاً توسط Methanoperedens مصرف می‌شدند، به وجود آمده است.

این می تواند دلیلی باشد که DNA Borg حاوی ژن های مختلفی است و با کروموزوم اصلی میکروب تفاوت زیادی دارد. با این حال، در طول تحقیقات خود، محققان همچنین متوجه شدند که همه نمونه‌های Methanoperedens حاوی ECE های متمایز نیستند.

تحقیق در مورد بورگ چگونه می تواند برای بشریت مفید باشد؟

ECE ها اساسا بسته های DNA قابل حملی هستند که امکان انتقال سریع ژن ها را بین میکروب های مختلف مانند باکتری ها، باستانی ها و ویروس ها فراهم می کنند. مطالعه حاضر نشان می دهد که عناصر DNA بورگ دارای امضای انتقال ژن اخیر از میزبان Methanoperedens استنباط شده خود هستند. نحوه انتقال این DNA هنوز مشخص نیست، اما پیامدهای مهمی برای تعامل بین ECE و میزبان آن دارد.
به عنوان مثال، نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که وابستگی متقابلی بین کروموزوم اصلی و ECE ایجاد می‌کند تا بتوان از ECE برای تکامل ژن‌های جذب‌شده برای ایجاد نسخه‌های جدید (اگر در کروموزوم اصلی انجام شود کشنده باشد) و اعداد کپی از ECE استفاده کرد که می تواند مستقل از ژنوم اصلی تنظیم شود (برای برآوردن شرایط محیطی بورگز می تواند تعداد کپی تا 8 برابر کروموزوم میزبان اصلی داشته باشد).اعتقاد بر این است که همه این جنبه ها در تسهیل سازگاری، تکامل و بقای این موجودات مهم هستند (در این مورد، Methanoperedens). حال سوال این است که چگونه دانش بورگس می تواند برای انسان مفید باشد.

«تحقیق ما چندین پیامد مهم دارد. اولاً، با روشن کردن وجود ECE هایی مانند بورگس و درک عملکرد آنها، می توانیم به راه هایی برای مهار آنها برای اهداف بیوتکنولوژیکی و در نهایت مهندسی کشاورزی فکر کنیم. شولمریچ به IE گفت: این روش می‌تواند با اصلاح محیط‌هایی مانند شالیزارهای برنج یا شکمبه گاو با میکروارگانیسم‌های مصرف‌کننده متان که از نظر ژنتیکی طراحی شده‌اند، دنبال شود.
محققان همچنین پیشنهاد می کنند که از آنجایی که بورگس دارای تعداد بی شماری از ماشین آلات پروتئینی جدید است، می توانند ابزارهای ویرایش ژنوم جدیدی را ایجاد کنند. به علاوه، آنها همچنین می توانند در مطالعه زیست شناسی و تکامل موجودات پیچیده دیگر مانند Methanoperedens به ما کمک کنند. با این حال، محدودیت مطالعه این است که هیچ دانش موجودی از بورگس و میزبانان آنها وجود ندارد.
این امر آنها را از مطالعه بیشتر تعامل ECE و اهمیت آن در اکسیداسیون متان در آزمایشگاه در این مرحله باز می دارد. آنها در حال حاضر در حال مقابله با این مشکل و کار بر روی ایجاد راکتورهای زیستی برای پرورش بورگس و میزبانان آنها هستند.