研究发现食用甲烷的“博格”一直在同化地球上的微生物

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去年，一个科学家小组在一种叫做Methanoperedens的消耗甲烷的微生物中发现了DNA结构，这种结构似乎可以提高生物体的新陈代谢率。他们将这些遗传元素命名为“Borgs”，因为其中的DNA包含从许多生物体中吸收的基因。在10月19日发表在《自然》上的一项研究中，由Jill Banfield领导的研究人员描述了Borgs内奇怪的基因集合。他们还开始研究这些DNA包在环境过程如碳循环中发挥的作用。

第一次接触

Methanoperedens是一种古细菌（类似于细菌的单细胞生物，但代表生命的一个独特分支），它们分解土壤、地下水和大气中的甲烷(CH4)以支持细胞代谢。尽管Methanoperedens和其他消耗甲烷的微生物生活在世界各地不同的生态系统中，但它们被认为不如利用光合作用、氧气或发酵获得能量的微生物常见。然而它们通过从大气中清除甲烷--最有力的温室气体--在地球系统过程中发挥了巨大的作用。甲烷捕获的热量是二氧化碳的30倍，估计约占人类造成的全球变暖的30%。这种气体通过地质过程和产生甲烷的古菌自然排放；然而工业过程正在将储存的甲烷释放回大气中，其数量令人担忧。

Banfield是劳伦斯伯克利国家实验室的科学家，也是加州大学伯克利分校地球与行星科学和环境科学、政策与管理的教授。她研究微生物活动如何塑造大规模的环境过程，以及反过来--环境波动如何改变地球的微生物组。作为这项工作的一部分，她和她的同事们定期对不同栖息地的微生物进行取样以了解微生物为了生存正在使用哪些有趣的基因及这些基因可能如何影响关键元素如碳、氮和硫的全球循。该团队研究了细胞内的基因组及被称为染色体外元素(ECE)的便携式DNA包，该元素在细菌、古细菌和病毒之间传递基因。这些元素使微生物能够迅速从它们的邻居那里获得有益的基因，包括那些只有遥远关系的邻居。

科学家们在研究从加利福尼亚的季节性湿地池塘土壤中取样的Methanoperedens时发现了一种全新类型的ECE的证据。跟构成大多数质粒的圆形DNA链不同，新ECE是线性的，且非常长--长度达到整个Methanoperedens基因组的1/3。在分析了加州和科罗拉多州的地下土壤、含水层和河床等含有甲烷消耗性古菌的其他样本后，研究人员发现了总共19种不同的ECE，他们将其称之为Borgs。通过利用先进的基因组分析工具，研究小组确定，Borgs中的许多序列跟实际Methanoperedens基因组中的甲烷代谢基因相似。一些Borgs甚至编码了所有必要的细胞机械，只要它们在一个能表达基因的细胞内就可以自己吃甲烷。

“想象一下，一个有能力消耗甲烷的单细胞。现在你在该细胞内添加能够平行消耗甲烷的遗传元素，并且还添加使细胞具有更高的能力的遗传元素。如果你愿意的话，它基本上创造了一个消耗甲烷的类固醇的条件，"共同作者Kenneth Williams解说道。他是伯克利实验室地球和环境科学领域的高级科学家以及Banfield的同事。Williams领导了科罗拉多州里弗尔遗址的研究，在那里发现了特征最明显的Borg，同时他也是科罗拉多州克里斯特布特附近东河研究地点的首席现场科学家，Banfield目前的一些采样工作就在那里进行。

东河(East River)现场是能源部流域功能科学重点领域的一部分，这是一个由伯克利实验室领导的多学科研究项目，旨在将微生物学和生物化学与水文学和气候科学联系起来。“我们的专长是将通常被认为和视为完全不相干的调查领域结合起来--将从基因一直到流域和大气过程的一切联系起来的大科学。”

抵抗是徒劳的一个缺点

Banfield和她在加州大学伯克利分校创新基因组学研究所的研究人员--包括共同作者和长期合作者Jennifer Doudna提出假设，Borgs可能是被Methanoperedens吞噬以帮助新陈代谢的整个微生物的残留片段，这类似于植物细胞如何利用以前自由生活的光合微生物来获得我们现在所说的叶绿体及一个古代真核细胞如何消耗今天线粒体的祖先。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Borgs中发现的基因的总体多样性表明，这些DNA包是从广泛的生物体中吸收的。

无论起源如何，很明显，Borgs已经跟这些古细菌一起存在了很长时间并来回穿梭着基因。

值得注意的是，一些Methanoperedens被发现时没有Borgs。并且除了可识别的基因外，Borgs还包含编码其他代谢蛋白、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的独特基因及对其宿主有未知影响的其他蛋白质。在科学家们能在实验室环境中培养Methanoperedens之前，他们不会确定不同的Borgs赋予了什么能力、为什么一些微生物使用它们而其他微生物不使用。

而一个可能的解释是，Borgs作为代谢基因的储存柜，只在某些时候需要。正在进行的甲烷监测研究表明，甲烷浓度在一年中会有很大的变化，通常在秋季达到高峰，在早春降到最低水平。因此，在甲烷丰富的时期，当有更多的甲烷超过它们的本地细胞机器可以分解的时候，Borgs为像Methanoperedens这样的食甲烷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如重金属和抗生素的抵抗基因。

“有证据表明，不同类型的Borgs有时会在同一宿主Methanopreredens细胞中共存。这开启了一种可能性，即Borgs可能正在跨系传播基因，”Banfield说道。

大胆地探索（微生物）宇宙

自从去年将相关文章作为预印本发布后，研究团队已经开始了后续工作以更好地了解Borgs可能会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的遗传材料的数据集并寻找证据表明Borgs跟其他物种联合存在。

据研究人员介绍称，多年以后，精心培养的充满Borg的微生物可以用来减少甲烷和遏制全球变暖。这一切都是为了造福集体--地球上的生命。