«بورگ‌ها» میکروب‌های زمین را جذب می‌کنند.

تصویر بورگ

یک تصویر دیجیتالی با الهام از متان‌خواری باکتری‌های آغازین و بورگ‌هایی است که آنها را جذب می‌کنند. عکس توسط جنی ناس/ آزمایشگاه برکلی[۱] گرفته‌شده است.

به نظرمی‌رسد که نوع جدید کشف‌شده از ساختار DNA قابل انتقال، با یک نام علمی تخیلی، در متعادل‌کردن متان موجود در اتمسفر نقش داشته ‌باشد.

در سریال پیشتازان فضا، بورگ‌ها گروهی بی‌رحم و دارای هوش ‌جمعی هستند، که سایر موجودات را با قصد تسلط بر جهان جذب می‌کنند. اینجا در سیاره غیرداستانی، بورگ‌ها مجموعه‌ای از DNA هستند که می‌توانند به انسان در مقابله با تغییرات آب و هوایی کمک کنند.

سال گذشته، یک گروه از دانشمندان، ساختار DNA میکروب مصرف‌کننده متان را که متانوپردن‌ها نام دارد، شناسایی کردند که به نظر می‌رسد سرعت متابولیسم ارگانیسم‌ها را تسریع می‌کند. آنها این مدل ژنتیک را «بورگ» گذاشتند، چون DNA آنها حاوی ژن‌هایی است که از بسیاری ارگانیسم‌ها جذب شده است. در مطالعاتی که در ۱۹ اکتبر، به سرپرستی جینل بانفیلد[۲] در مجله نیچر[۳] منتشر شد، محققان مجموعه عجیبی از ژن‌های بورگ را گزارش کردند. آنها همچنین شروع به بررسی نقش این نوع DNA در فرآیندهای محیطی، مانند چرخه کربن کردند.

«می‌توانید یک تک سلول را درنظر بگیرید که توانایی مصرف متان را دارد. حالا عناصر ژنتیکی را به داخل آن سلول اضافه می‌کنید که می‌تواند متان را همزمان مصرف کند، باز هم عناصر ژنتیکی را اضافه کنید که ظرفیت سلول را بالاتر ببرد که عمدتا شرایطی را برای مصرف متان روی استروئیدها ایجاد می‌کند.»کنت ویلیامز[۴]

اولین تماس

متانوپردن‌ها یک نوع از آغازیان هستند (موجودات تک سلولی که شبیه باکتری‌ها هستند اما شاخه‌ای مجزا از زیست را نشان می‌دهند) که در خاک، آب‌های زیرزمینی و اتمسفر، به متان تجزیه می‌شوند (CH4) تا متابولیسم تک سلولی را تقویت کند. گرچه متانوپردن‌ها و دیگر میکروب‌های مصرف کننده متان در اکوسیستم‌های مختلف سراسر دنیا زندگی می‌کنند، اعتقاد بر این است که آنها نسبت به دیگر میکروب‌هایی که از طریق فتوسنتز، اکسیژن یا تخمیر، انرژی تولید می‌کنند، کمتر هستند. با این وجود، آنها با حذف متان – قوی ترین گاز گلخانه ای – از اتمسفر، نقش بزرگی در فرآیندهای سیستم زمین دارند. متان، ۳۰ برابر بیشتر از کربن دی اکسید گرما را به دام می‌اندازد و تخمین زده شده که ۳۰ درصد از گرم شدن کره زمین به دست انسان را به خود اختصاص داده است. این گاز به طور طبیعی، از طریق فرآیندهای زمین‌شناسی و آغازیان مولد متان منتشر می‌شود؛ اگرچه فرآیندهای صنعتی، مقادیر نگران کننده‌ای از متان را به اتمسفر باز می‌گرداند.

بنفیلد[۵]، دانشمند و استاد دانشگاه آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) همچنین، استاد علوم زمین و سیاره‌‌‌ای و علوم محیطی، مدیریت و سیاست در دانشگاه کالیفرنیا (برکلی)[۶] است. او چگونگی سازماندهی فعالیت‌های میکروبی فرآیندهای محیطی را در مقیاس بزرگ مطالعه می‌کند و اینکه چگونه به نوبه خود، تغییرات محیطی میکروبیوم‌های سیاره را تغییر می‌دهد. در بخشی از این پژوهش، او و همکارانش مرتبا از میکروب‌ها در زیستگاه‌های مختلف نمونه‌برداری کردند تا متوجه شوند میکروب‌ها از چه ژن ویژه‌ای برای بقا استفاده می‌کنند و چگونه ممکن است این ژن‌ها بر چرخه جهانی عناصر کلیدی مانند کربن، نیتروژن و گوگرد تأثیر بگذارند. این گروه تحقیقاتی، ژنوم‌های داخل سلول‌ها و بسته‌های قابل انتقال DNA، معروف به عناصر فراکروموزومی (ECE)، که ژن‌ها را بین باکتری‌ها، آغازیان و ویروس‌ها منتقل می‌کنند را بررسی می‌کنند. این عناصر به میکروب‌ها این امکان را می‌دهند تا به سرعت ژن‌های مفید را از همسایگان خود به دست آورند، ازجمله آنهایی که فقط دورادور در ارتباط هستند.

جیل بنفیلد و کنت ویلیامز

جیل بنفیلد و کنت ویلیامز، از آب رودخانه شرقی در کلرادو نمونه برداری کردند تا زندگی میکروبی آن اکوسیستم را مطالعه کنند.  عکس توسط روی کالتشمیت/آزمایشگاه برکلی گرفته شده است.

این دانشمندان، طی مطالعه نمونه آغازیان جمع آوری شده از خاک استخر تالاب فصلی در کالیفرنیا، شواهدی از نوع جدید ECE را شناسایی کردند. . برخلاف اکثر پلاسمیدها، که رشته‌های دایره‌ای شکل DNA را تشکیل می دهند، شناخته شده‌ ترین نوع عنصر خارج کروموزومی و  ECEهای جدید، خطی و طولانی هستند که  تا یک سوم از طول کل ژنوم آغازیان را تشکیل می‌دهند. پس از آنالیز نمونه‌های جمع‌آوری شده‌ی آغازیان مصرف کننده متان  از خاک زیرزمینی و بستر رودخانه‌ها در کالیفرنیا و کلرادو، محققان، در کل ۱۹ مورد مجزا از  ECE را کشف کردند که آنها را  بورگ نامیدند و با استفاده از ابزارهای پیشرفته، ژنوم آنها را تجزیه و تحلیل کردند، این گروه تحقیقاتی، ثابت کردند که بسیاری از توالی‌های درون بورگ‌ها مشابه ژن‌های متابولیزه کننده متان در ژنوم واقعی آغازیان است. برخی از بورگ‌ها حتی می‌توانند تمام اجزای سلولی لازم برای مصرف متان را به تنهایی رمزگذاری کنند و تا زمانی که در داخل سلول هستند، توانایی بیان ژن ها را دارند.

کنت ویلیامز، نویسنده همکار بانفیلد و یک دانشمند ارشد و همکار در منطقه آزمایشگاه علوم زمین و علوم محیطی برکلی، توضیح داد «می‌توانید یک تک سلول را تصور کنید که توانایی مصرف متان را دارد. حالا عناصر ژنتیکی را به آن اضافه کنید که می‌تواند متان را همزمان مصرف کند، باز هم عناصر ژنتیکی را اضافه کنید که ظرفیت سلول را بالاتر ببرد که عمدتا شرایطی را برای مصرف متان روی استروئیدها ایجاد می‌کند». ویلیامز تحقیقات خود را در سایت کلرادو، جایی که بهترین مشخصه بورگ در آن کشف شد، رهبری کرد، او همچنین دانشمند ارشد یک سایت تحقیقاتی در رودخانه شرقی، نزدیک کرستد بات، کلرادو است، جایی که برخی از نمونه‌برداری‌های فعلی بانفیلد در آن انجام می‌شود.

سایت East River field  بخشی از مرکز علمی عملکردی حوزه آبخیز وزارت انرژی است که در آن، یک پروژه تحقیقاتی چند رشته‌ای به سرپرستی آزمایشگاه برکلی با هدف آن پیوند میکروبیولوژی و بیوشیمی با هیدرولوژی و علم آب و هوا، انجام شد. « تخصص ما این است که مسائلی را که اغلب به عنوان حوزه‌های تحقیقاتی کاملاً متفاوت در نظرگرفته می‌شود را  گرد هم آوریم- علم بزرگی که همه چیز را از ژن‌ها گرفته تا فرآیندهای آبخیز و جو را به هم مرتبط می‌کند.»

مقاومت بیهوده است، یک کار زیان رسان است

بانفیلد و همکارانش در موسسه ژنومیک نوآورانه دانشگاه برکلی، از جمله نویسنده همکارش و جنیفر دودنا، همکار قدیمی‌اش، احتمال دادند که بورگ ها می توانند قطعات باقیمانده از میکروب هایی باشند که توسط متانوپردن ها برای کمک به متابولیسم بلعیده شده‌اند، مشابه روشی که سلول های گیاهی قبلا برای مهار استفاده می‌کردند. میکروب های فتوسنتزی زنده برای به دست آوردن آنچه که ما امروزه کلروپلاست می نامیم و اینکه چگونه یک سلول یوکاریوتی باستانی، اجداد میتوکندری های امروزی را مصرف کرده است. بر اساس شباهت‌ها در توالی‌ها، سلول بلعیده شده می‌توانست از خانواده‌ی متانوپردن‌ها باشد، اما تنوع کلی ژن‌های موجود در بورگ‌ها نشان می‌دهد که این بسته‌های DNA از طیف وسیعی از ارگانیسم‌ها جذب شده‌اند.

منشا آن مهم نیست، مشخص است که بورگ‌ها در کنار آغازیان بوده‌اند و برای مدت بسیار طولانی ژن‌ها را به عقب و جلو می‌برده است.

قابل ذکر است که برخی از متانوپردن‌ها بدون بورگ یافت شدند، و علاوه بر ژن‌های قابل تشخیص، بورگ‌ها همچنین حاوی ژن‌های منحصربه‌فردی هستند که سایر پروتئین‌های متابولیک، پروتئین‌های غشایی و پروتئین‌های خارج سلولی را رمزگذاری می‌کنند که تا حدودی، در هدایت الکترون مورد نیاز برای تولید انرژی نقش دارند. و همچنین حاوی پروتئین های دیگری هستند که اثرات ناشناخته ای بر میزبان خود می‌گذارد. تا زمانی که دانشمندان نتوانند متانوپردن ها را در یک محیط آزمایشگاهی پرورش دهند، مطمئناً نمی دانند که بورگ‌های مختلف چه قابلیت‌هایی دارند، چرا برخی از میکروب‌ها از آنها استفاده می‌کنند و چرا برخی دیگر از آنها استفاده نمی‌کنند.

یک احتمال این است که بورگ ‌ها به عنوان جایی برای ذخیره ژن‌های متابولیک عمل می‌کنند، ژن‌هایی که فقط در زمان های خاص مورد نیاز هستند. بررسی مداوم متان نشان داده است که غلظت متان می تواند به طور قابل توجهی در طول سال متفاوت باشد، معمولاً در اوایل بهار به کمترین میزان، و در پاییز به اوج خود می رسد. بنابراین بورگ‌ها برای میکروب‌های متان‌خوار مانند متانوپردن‌ها[۷] در زمان‌های زیادی که متان بیش از آن مقداری است که ابزارهای سلولی بومی آنها بتوانند تجزیه کنند، یک مزیت رقابتی ایجاد می‌کنند.

پلاسمیدها با هدف مشابهی عمل می‌کنند و به سرعت ژن‌ها را برای مقاومت در برابر مولکول‌های سمی (مانند فلزات سنگین و آنتی‌بیوتیک‌ها)، زمانی که سموم با غلظت‌های کافی برای اعمال فشار تکاملی وجود دارند،  پراکنده می‌کنند.

طبق گفته بانفیلد:«شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد انواع مختلفی از بورگ‌ها گاهی در یک سلول میزبان متانوپردن  وجود دارند و این امکان را ایجاد می‌کنند که بورگ‌ها بتوانند ژن‌ها را در  رده سلولی خود پخش کنند.»

کاوش جسورانه در جهان (میکروبی)

از زمان ارسال مقاله خود قبل از چاپ رسمی آن در سال گذشته، این گروه برای درک بهتر چگونگی تأثیر بورگ بر فرآیندهای بیولوژیکی و زمین شناسی، پژوهش‌های خود را آغاز کرده بودند. برخی از پژوهشگران، در حال بررسی مجموعه اطلاعاتی درباره مواد ژنتیکی سایر میکروارگانیسم‌ها ، و به دنبال شواهدی هستند که نشان دهد بورگ در ارتباطی با گونه های دیگر دارد.

در حالی که همکارانش از روش‌های آزمایشگاهی استفاده می‌کنند، سوزان مولن، یکی از نویسندگان و دانشجوی کارشناسی ارشد در آزمایشگاه بانفیلد،کارهای میدانی ویژه‌ای انجام می‌دهد. او اخیراً پروژه‌ای را برای نمونه‌برداری از میکروب‌ها از دشت‌های سیلابی رودخانه شرقی در طی سال انجام داد؛ با  این هدف که چگونگی تغییرات فصلی در فراوانی بورگ‌ها و سایر میکروب‌هایی که در چرخه متان مرتبط‌اند و با جریان‌های فصلی متان مرتبط هستند را ارزیابی‌کند.

به گفته نویسندگان، سال‌ها بعد، میکروب‌های حاوی بورگ که با دقت کشت داده شده‌اند، می‌توانند برای کاهش متان و مهار گرمای جهانی مورد استفاده قرار گیرند. تمام اینها به نفع همه است ، به نفع زندگی روی زمین.

منابع: «بورگ‌ها عناصر ژنتیکی غول پیکر با پتانسیل افزایش ظرفیت متابولیک هستند» با پژوهش باسم الشایب، ماری سی ، شولمریش، یاکوب وست رابرتس، لوئیس ای[۸]. والنتین-آلوارادو، روهان ساچدوا، سوزان مولن، الکساندر کریس-کریستوف، مایکل جی ویلکینز، کنت اچ. ویلیامز، جنیفر آ. دودنا و جیلیان اف. بانفیلد[۹]، ۱۹ اکتبر ۲۰۲۲، نیچر.

[۱] Jenny Nuss/Berkeley Lab

[۲] Jill Banfield

[۳] the journal Nature

[۴]Kenneth Williams

[۵] Banfield

[۶] (UC Berkeley)

[۷] Methanopreredens

[۸] Basem AlShayeb, Marie C. Schoelmerich, Jacob West-Roberts, Luis E.

[۹] Valentin-Alvarado, Rohan Sachdeva, Susan Mullen, Alexander Crits-Christoph, Michael J. Wilkins, Kenneth H. Williams, Jennifer A. Doudna and Jillian F. Banfield.

پیام بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *