Prošle godine, istraživački tim sa Džil Banfild na čelu, otkrio je DNK strukture unutar “metanoždera” pod nazivom Metanoperedeni, koje dramatično ubrzavaju metabolizam ovog organizma. Genetske elemente su odlučili da nazovu “Borgovima”, jer DNK u njima sadrži gene asimilirane iz brojnih drugih organizama. Nedavno je objavljena studija oko ovog istraživanja, u žurnalu Nature, a u njoj autori opisuju zanimljivu skupinu gena u Borgovima i istražuju ulogu ovih paketa DNK u procesima životne sredine kao što je kruženje ugljen-dioksida.
Bliski susret
Metanoperedeni su vrsta arheja (jednoćelijskih organizama koji podsećaju na bakterije, ali predstavljaju posebnu granu živih bića) koje razgrađuju metan (CH4) u zemljištu, podzemnim vodama i atmosferi, kako bi omogućili ćelijski metabolizam.
Banfild, profesorka i naučnica u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), proučava kako mikrobne aktivnosti oblikuju velike ekološke procese i kako, zauzvrat, fluktuacije životne sredine menjaju mikrobiome planete. Kao deo ovog rada, ona i njene kolege redovno sakupljaju uzorke mikroba u različitim staništima, kako bi stekli uvid u brojne zanimljive gene koje mikrobi koriste za preživljavanje, ali i kako ti geni mogu uticati na globalne cikluse ključnih elemenata kao što su ugljenik, azot i sumpor.
Njen tim posmatra genome unutar ćelija, kao i prenosive pakete DNK poznate kao ekstrahromozomski elementi (ECE) koji prenose gene između bakterija, arheja i virusa. Ovi elementi omogućavaju mikrobima da brzo dobiju korisne gene od svojih suseda, pa čak i “dalje rodbine”.
Na fotografiji: Džil Banfild (levo) i Kenet Vilijams (desno) sakupljaju uzorke iz Ist Rivera u Koloradu (foto: Roy Kaltschmidt/Berkeley Lab)
Metanoperedeni i drugi “metanožderi” žive u različitim ekosistemima širom sveta, ali se veruje da su ređi od mikroba koji koriste fotosintezu, kiseonik ili fermentaciju za energiju. Ipak, oni igraju ogromnu ulogu u procesima Zemljinog sistema tako što uklanjaju metan – najmoćniji gas staklene bašte – iz atmosfere. Metan zadržava 30 puta više toplote od ugljen-dioksida i procenjuje se da čini oko 30 odsto globalnog zagrevanja koje izaziva čovečanstvo. Gas se prirodno emituje kroz geološke procese i arheje koje stvaraju metan. Međutim, industrijski procesi oslobađaju uskladišteni metan nazad u atmosferu u zabrinjavajućim količinama.
Proučavajući Metanoperedene iz sezonskog močvarnog zemljišta u Kaliforniji, naučnici su pronašli dokaze o potpuno novom tipu ECE. Za razliku od kružnih lanaca DNK koji čine većinu plazmida, najpoznatijeg tipa ekstrahromozomskog elementa, novi ECE su linearni i veoma dugi – do jedne trećine dužine celog genoma Metanoperedensa. Nakon analize dodatnih uzoraka iz podzemnog tla, vodonosnih slojeva i rečnih korita u Kaliforniji i Koloradu koji sadrže arheje koje konzumiraju metan, tim je otkrio ukupno 19 različitih ECE koje su nazvali Borgovima.
Koristeći napredne alate za analizu genoma, naučnici su utvrdili da su mnoge sekvence unutar Borgova slične genima koji metabolišu metan unutar stvarnog genoma Metanoperedensa. Neki od Borgova čak kodiraju svu neophodnu ćelijsku mašineriju da jedu metan sami, sve dok su unutar ćelije koja može da izrazi gene.
“Zamislite jednu jedinu ćeliju koja može da konzumira metan. Onda dodajte genetske elemente unutar te ćelije koji mogu da paralelno konzumiraju metan i grade nove genetske elemente koji povećavaju kapacitete ćelije. U suštini, dobijate situaciju u kojoj se metan proždire kao da je ćelija “na steroidima”, nazovimo to tako,” objašnjava ko-autor studije Kenet Vilijams, stariji naučnik Berkeley Lab-a. Vilijams je predvodio istraživanje u Rajflu, Kolorado, gde su najkarakterističniji Borgovi pronađeni.
Otpor je uzaludan, a i realno nepotreban
Borgovi bi mogli biti i ostaci čitavih mikroba koje su progutali Metanoperedeni da bi pomogli sopstvenom metabolizmu, na isti način kao što su biljne ćelije iskoristile nekada samostalne fotosintetske mikrobe da dobiju ono što danas nazivamo hloroplastima, ili kao što je drevna eukariotska ćelija “pojela” pretke današnjih mitohondrija. Na osnovu sličnosti u sekvencama, progutana ćelija je mogla biti srodnica Metanoperedena, ali ukupna raznolikost gena pronađenih u Borgovima ukazuje da su ovi paketi DNK asimilovani iz širokog spektra organizama.
Kakvo god da im je poreklo, jasno je da su Borgovi postojali paralelno sa arhejama, “dobacujući” se genima ko zna koliko dugo.
Očekivana je bila i pojava Metanoperedena bez Borgova. No, pored prepoznatljivih gena, Borgovi takođe sadrže jedinstvene gene koji kodiraju druge metaboličke, membranske i ekstraćelijske proteine gotovo sigurno uključene u provodljivost elektrona potrebnu za generisanje energije, kao i druge proteine koji imaju nepoznate efekte na svoje domaćine. Sve dok naučnici ne uspeju da uzgoje Metanopereden u laboratorijskom okruženju, neće sa sigurnošću znati koje sposobnosti različiti Borgovi daju, zašto ih neki mikrobi koriste, a zašto drugi ne.
Jedno od mogućih objašnjenja jeste da su Borgovi – “špajz”, tj. sakupljači metaboličkih gena koji su potrebni samo u određenim vremenskim periodima. Prema trenutnim praćenjima metana, koncentracije ovog gasa mogu značajno da variraju tokom godine, obično dostižući maksimum u jesen, a minimum u rano proleće. Borgovi, dakle, pružaju konkurentsku prednost mikrobima koji jedu metan tokom perioda kada ima više metana nego što njihova matična ćelijska mašinerija može da razbije.
Poznato je da plazmidi služe sličnoj svrsi, brzo šireći gene za otpornost na toksične molekule (poput teških metala i antibiotika) kada su toksini prisutni u dovoljno visokim koncentracijama da vrše evolutivni pritisak.
„Postoje dokazi da različite vrste Borgova ponekad koegzistiraju u istoj ćeliji Metanoperedena, što otvara mogućnost da Borgovi šire svoje gene kroz čitave loze,” objašnjava Džil Banfild.
Hrabro ka novim mikro-horizontima
Banfildin tim nije gubio vreme – još od predštampe studije prošle godine, rad je nastavljen sa fokusom na bolje razumevanje uticaja Borgova na biološke i geološke procese. Jedan deo istraživača “češlja” skupove podataka genetskog materijala drugih mikroorganizama, tražeći dokaze da Borgovi ko-egzistiraju i sa drugim vrstama.
Drugi deo tima će izaći iz laboratorije i vratiti se do Ist Rivera, gde će tokom cele godine ispitivati kako sezonske promene utiču na brojnost Borgova i drugih mikroba za koje se zna da učestvuju u preradi metana.
Autori tvrde da bi, jednog dana, pažljivo kultivisani mikrobi puni Borgova mogli da se koriste za smanjenje metana i obuzdavanje globalnog zagrevanja. Srećom, ne razmišljaju kao Borgovi iz “Zvezdanih Staza”, ali jesu deo jedinstvene košnice – života na Zemlji.
Foto: Jenny Nuss/Berkeley Lab
