近日，研究人員在自家後院的泥土中發現了一種超長的DNA結構，推測是一種染色體外元件（ECE）。它們一個神奇的特性就是可以“同化”其他物種的DNA結構形式，科學家發現了它包含其他生物的關鍵基因。這種能力堪比著名科幻作品《星際迷航》中的外星種族“博格人”，是以這種DNA也是以得為“博格”。關于“博格”，仍有許多問題值得探索。
撰文 | 顧舒晨
在科幻片《星際迷航》中，有一個叫作“博格人（Borg）”的邪惡外星種族，他們具有極強的适應能力，雖然他們自己不能繁殖，卻能通過同化其他種族以維持自身種族的存續。他們希望通過同化一切可以遇到的種族，使自己的種族至臻完美。一旦遭到其它種族的抵抗，博格人就會搬出他們的口頭禅：抵抗是無效的（Resistance is futile）。然而你肯定想不到，這種天方夜談似的外星種族“博格人”，也有個地球變種，就“潛伏”在我們身邊！
被博格人同化的皮卡爾艦長丨圖源：CBS
近日，美國加州大學伯克利分校的Jill Banfield教授團隊在預印本平台bioRxiv上發表題為“Borgs are giant extrachromosomal elements with the potential to augment methane oxidation（“博格”是一種巨大的染色體外元件，具有增強甲烷氧化的潛力）”的研究論文。論文介紹了Banfiled教授的研究團隊從美國西部的泥土樣本中發現了一種新的能夠“同化”環境中不同微生物基因的DNA結構形式，進而引發了學界的普遍關注，包括《科學》與《自然》等期刊雜志也齊齊報道了這一前所未見的發現。有意思的是，“博格”這個名字是Banfield教授喜愛科幻的兒子在感恩節晚餐上的提議，一語中的。
Jillian Banfield教授曾因細菌與物質在地球極端環境下的行為研究而獲得過2011年度世界傑出女科學家獎。她的主要研究方向是微生物與礦物之間的關系，從這兩個乍看下大相徑庭的研究領域中，Banfield教授發現了這兩個領域互動的奧秘，提出了許多獨特的見解，她甚至引證出微生物具有影響侵蝕作用等大規模地質學變動過程，以及從石塊中建構特殊物質的能力。是以這一次“博格”DNA的發現，也引發了熱議，大家都期待着Banfield教授能給學界帶來新的研究突破。
Banfield教授的課題組原計劃研究能降解甲烷的古細菌，以及能感染這類古細菌并影響其甲烷降解能力的病毒。古細菌大多生活在厭氧環境下，研究人員需要挖一米多深的坑才能獲得所需的樣本。這些泥土樣本将被帶回實驗室做測序分析，再通過計算機運算擷取每一條DNA序列，并從中尋找來自病毒的DNA。
這次“博格”DNA的發現卻純屬偶然。在一份來自研究人員自家後院的泥土樣本中，他們發現了一段超長的DNA，而且其中暗藏大量前所未見的新基因。不僅如此，這段DNA還有着非常特殊的結構，它們的頭和尾有着近乎鏡像的DNA序列，在基因之間也有特殊的重複序列。此外還有可供DNA啟動複制的序列，表明此類DNA有進行自我複制的潛力。綜合這些發現，科學家認為這種DNA并不是随機産生的。而且在檢索了大量資料庫後，研究人員發現了23種潛在的“博格”DNA，其中19種與首個被發現的“博格”DNA具有一樣的特性，它們均來自科羅拉多州和加利福尼亞州的濕地泥土。
研究人員在收集土壤裡的DNA樣本丨圖源：JILL BANFIELD
通過進一步研究，研究人員認為“博格”DNA是染色體外的DNA，是一種染色體外元件（extrachromosomal element，ECE）。所謂染色體外元件，就是染色體外的DNA，它們存在于許多宿主微生物中。大多數微生物有一條或兩條染色體用于遺傳編碼，但除了染色體内的DNA外還有一些染色體外DNA的存在，例如線粒體DNA，以及已成重要科研工具的質粒，它們攜帶着某些非必需但有益的基因與宿主微生物共存。ECE大多是環狀、裸露的，也有少部分是線性的，能在細胞内能獨立進行複制。它們有些是細胞生命活動所必需的，如線粒體、葉綠體；有些能夠賦予細胞某種特性，如細菌質粒的抗藥性基因、放毒型草履蟲的卡巴粒等。
至于“博格”DNA的作用是什麼，研究人員推測可以參與代謝甲烷。序列分析顯示，“博格”DNA似乎與一種名為Methanoperedens的古細菌相關，“博格”DNA同化的基因中就有一些基因來自這種古菌的染色體。這類古細菌能夠消化并代謝甲烷，而“博格”DNA似乎也參與了這一過程。是以，科學家們認為“博格”DNA還可能幫助對抗氣候的變化——甲烷是僅次于二氧化碳的第二大人為制造溫室氣體，約占全球溫室氣體排放量的20%，而含有“博格”DNA的微生物的生長将能夠分解大量的甲烷。但是，由于目前科學家們還無法在實驗室裡培養出這種古細菌，是以“博格”結構可能被古細菌用來處理甲烷的結論僅僅是基于基因測序資料的推測。
除了許多與Methanoperedens古細菌相關的基因外，“博格”DNA中還含有很多其他重要的基因，例如一些對于代謝至關重要的基因。另外，“博格”DNA還具有一些獨有的特性。首先，正如前文所述，它尺寸巨大，其長度在60-100萬對DNA堿基之間，已接近真核生物染色質長度的三分之一，要知道一般的ECE的也隻在大小在50~1000對堿基之間。這是差別于其他片段的重要特征。其次，“博格”DNA是線性的，而不是像許多ECE那樣是環狀。最後，“博格”DNA的兩端都有鏡像重複序列，在基因内部和基因之間也存在許多其它的重複序列。
掃描電子顯微鏡圖像顯示，博格氏菌似乎與被稱為古菌的單細胞微生物有關
丨圖源：Eye of Science/SPL
雖然“博格”DNA的發現使得一些研究人員異常興奮，但這項工作還沒有經過同行評審在正式的雜志上發表。是以，研究人員認為我們需要更謹慎的對待這一發現，并提出了一些其他的可能性。華盛頓州西雅圖系統生物學研究所（Institute for Systems Biology）的生物學家Nitin Baliga認為，當研究人員像Banfield的團隊那樣篩選許多基因組的碎片并将它們拼湊在一起時，有可能會出現錯誤。他認為“博格”DNA隻有在培養的Methanoperedens古細菌中被發現才能被确認。另外，單從“博格”DNA的結構特征上看，它可能與其它大型ECE的特征重疊，例如某些嗜鹽古菌（salt-loving archaea）中的元件。是以Baliga認為，“博格”DNA結構的新穎性在現階段仍值得商榷。阿根廷圖庫曼微生物工業過程試驗工廠（Pilot Plant for Microbiological Industrial Processes）的微生物學家Julián Rafael Dib認為博格結構類似于在土壤栖息的放線菌中發現的巨大線性質粒。還有另外一些看似瘋狂的解釋，比如“博格”DNA來自某種未知的微生物，随後被其它古細菌所同化，正如線粒體被真核細胞所同化一般。又或者，這些“博格DNA”本身是一種巨型病毒……
目前，研究團隊正在研究“博格”DNA的功能及其DNA重複序列的作用。DNA重複序列對微生物來說非常重要，例如細菌和古菌對抗病毒的免疫防禦系統——CRISPR-Cas系統。該系統中被稱為CRISPR陣列的重複結構來自病毒的遺傳密碼片段，微生物将這些片段整合到自己的DNA中，以此“記住”病原體，以便在未來抵禦它們。CRISPR目前已經成為了一種強大的基因編輯技術，正改變着生命科學研究領域乃至人類世界。Banfield教授的預印本共同作者Jennifer Doudna教授也因研究CRISPR基因編輯而獲得了2020年諾貝爾化學獎，她們未來的合作也将緻力于研究“博格”DNA所具有的類似的工具化潛力。
雖然目前為止，我們依然不知“博格”DNA究竟是什麼，它的功能是什麼，但值得注意的是，研究人員發現“博格”DNA能夠同化不同來源的基因，“博格”DNA的存在說明了一個事實——很多遺傳元件能在不同染色體間，甚至不同物種間“跳躍”，進而讓生命更好地适應環境。這也正展現了生命的奇妙之處。科學的魅力就在于探索未知，發現未知，希望在不遠的未來我們也能知道“博格”DNA何時會向其它物種說出那一句經典的台詞“抵抗是無效的”。
參考資料
[1] Basem Al-Shayeb et al., (2021), Borgs are giant extrachromosomal elements with the potential to augment methane oxidation, bioRxiv, DOI: https://doi.org/10.1101/2021.07.10.451761
[2] Mysterious DNA sequences, known as ‘Borgs,’ recovered from California mud, Retrieved July 19, 2021, from https://www.sciencemag.org/news/2021/07/mysterious-dna-sequences-known-borgs-recovered-california-mud
[3] Massive DNA ‘Borg’ structures perplex scientists, Retrieved July 19, 2021, from https://www.nature.com/articles/d41586-021-01947-3