Extrañas estructuras en el ADN dejan perplejos a los científicos

Biología

Los Borg han aterrizado o, al menos, los investigadores han descubierto a sus homólogos aquí en la Tierra. Los científicos que analizan muestras de sitios embarrados en el oeste de Estados Unidos han encontrado nuevas estructuras de ADN que parecen recolectar y ‘asimilar’ genes de microorganismos en su entorno, al igual que los extraterrestres ficticios de Star Trek ‘Borg’ que asimilan el conocimiento y la tecnología de otras especies.

Estas hebras de ADN extralargas, que los científicos nombraron en honor a los extraterrestres, se unen a una colección diversa de estructuras genéticas, plásmidos circulares, por ejemplo, conocidos como elementos extracromosómicos (ECE). La mayoría de los microbios tienen uno o dos cromosomas que codifican su patrón genético primario. Pero pueden albergar, y a menudo compartir entre ellos, muchas ECE distintas. Estos portan genes no esenciales pero útiles, como los de la resistencia a los antibióticos.

Los borgs son un tipo de ECE previamente desconocido, único y “absolutamente fascinante”, dice Jill Banfield, geomicrobióloga de la Universidad de California, Berkeley. Ella y sus colegas describen su descubrimiento de las estructuras en una preimpresión publicada en el servidor bioRxiv1. El trabajo aún no ha sido revisado por pares.

Diferente a todo lo visto antes
Los borgs son estructuras de ADN “no como ninguna que se haya visto antes”, dice Brett Baker, microbiólogo de la Universidad de Texas en Austin. Otros científicos están de acuerdo en que el hallazgo es emocionante, pero se han preguntado si los Borgs son realmente únicos y han observado similitudes entre ellos y otras ECE grandes.

En los últimos años, “la gente se ha acostumbrado a las sorpresas en el campo de las ECE”, dice Huang Li, microbiólogo de la Academia China de Ciencias en Beijing. “Sin embargo, el descubrimiento de Borgs, que sin duda enriquece el concepto de ECE, ha fascinado a muchos en el campo”.

Su gran tamaño, que varía entre más de 600.000 y aproximadamente 1 millón de pares de bases de ADN de longitud, es una característica que distingue a Borgs de muchas otras ECE. De hecho, los Borgs son tan grandes que tienen hasta un tercio de la longitud del cromosoma principal en sus microbios anfitriones, dice Banfield.

Banfield estudia cómo los microbios influyen en el ciclo del carbono, incluida la producción y degradación del metano, un potente gas de efecto invernadero, y en octubre de 2019, ella y sus colegas fueron a buscar ECE que contengan genes involucrados en el ciclo del carbono en los humedales de California. Allí, encontraron los primeros Borgs y luego identificaron 19 tipos diferentes de este y otros sitios similares en Colorado y California.

Los borgs parecen estar asociados con arqueas, que son microorganismos unicelulares distintos de las bacterias. Específicamente, los que Banfield y su equipo han descubierto están relacionados con la variedad Methanoperedens, que digiere y destruye el metano. Y los genes Borg parecen estar involucrados en este proceso, dice Banfield. Los científicos aún no pueden cultivar Methanoperedens en el laboratorio, un desafío continuo para muchos microbios, por lo que las conclusiones del equipo de que las arqueas podrían usar Borgs para el procesamiento de metano se basan solo en datos de secuencia.

“Hicieron una observación interesante”, dice el biólogo de sistemas Nitin Baliga, del Instituto de Biología de Sistemas en Seattle, Washington. Pero advierte que cuando los investigadores examinan fragmentos de muchos genomas y los unen, como ha hecho el equipo de Banfield, es posible cometer errores. El hallazgo de Borgs en Methanoperedens cultivado será necesario para que el hallazgo se considere definitivo, agrega.

Costos y beneficios
Suponiendo que los Borgs sean reales, mantener una ECE tan masiva sería costoso para Methanoperedens, dicen Banfield y sus colegas, por lo que las estructuras del ADN deben proporcionar algún beneficio. Para saber qué podría ser, los investigadores analizaron las secuencias de cientos de genes Borg y las compararon con genes conocidos.

Los borgs parecen albergar muchos genes necesarios para procesos metabólicos completos, incluida la digestión del metano, dice Banfield. Ella describe estas colecciones como “una caja de herramientas” que podría sobrecargar las habilidades de Methanoperedens.

Entonces, ¿qué hace que un Borg sea un Borg? Además de su notable tamaño, los Borgs comparten varias características estructurales: son lineales, no circulares como lo son muchas ECE, han reflejado secuencias repetitivas en cada extremo de la hebra; y tienen muchas otras secuencias repetitivas tanto dentro como entre los presuntos genes.

Individualmente, estas características de Borgs pueden superponerse con las que se ven en otras ECE grandes, como elementos en ciertas arqueas amantes de la sal, por lo que Baliga dice que la novedad de Borgs todavía es discutible en esta etapa. Los borgs también se asemejan a plásmidos lineales gigantes que se encuentran en Actinobacteria que habita en el suelo, dice Julián Rafael Dib, microbiólogo de la Planta Piloto de Procesos Industriales Microbiológicos en Tucumán, Argentina.

Banfield responde que, aunque las características individuales de Borgs se han visto antes, “el tamaño, la combinación y la carga genética metabólica” es lo que los hace diferentes. Ella especula que alguna vez fueron microbios completos, y fueron asimilados por Methanoperedens de la misma manera que las células eucariotas ganaron mitocondrias generadoras de energía al asimilar bacterias de vida libre.

Ahora que los científicos saben qué buscar, podrían encontrar más Borgs examinando datos antiguos, dice Baker, quien solía trabajar en el laboratorio de Banfield. Cree que ya podría haber descubierto algunos candidatos en su propia base de datos genética desde que se publicó la preimpresión.

La resistencia es inútil
Al analizar el genoma de Borg, Banfield y sus colegas también vieron características que sugieren que los Borgs han asimilado genes de diversas fuentes, incluido el cromosoma principal de Methanoperedens, dice Banfield. Este potencial para “asimilar” genes llevó a su hijo a proponer el nombre “Borg” durante la cena de Acción de Gracias en 2020.

El equipo de Banfield ahora está investigando la función de Borgs y el papel de sus repeticiones de ADN. Las repeticiones son importantes para los microbios: las repeticiones estructuradas de manera diferente llamadas CRISPR son fragmentos de código genético de virus que los microbios incorporan a su propio ADN para “recordar” los patógenos para poder defenderse de ellos en el futuro.

CRISPR y sus proteínas asociadas han sido de gran ayuda para la biotecnología porque se han adaptado a una poderosa técnica de edición de genes, lo que sugiere que los genomas de Borg también podrían producir herramientas útiles. “Podría ser tan importante e interesante como CRISPR, pero creo que será algo nuevo”, dice Banfield, que colabora en futuras investigaciones con su coautora de preimpresiones, Jennifer Doudna, pionera de la edición de genes basada en CRISPR. en la Universidad de California.

Una aplicación potencial que los investigadores ven para Borgs podría ser una ayuda en la lucha contra el cambio climático. Fomentar el crecimiento de microbios que los contienen podría, quizás, reducir las emisiones de metano generadas por las arqueas que viven en el suelo, que suman aproximadamente 1 gigatonelada a nivel mundial cada año. Sería arriesgado hacer esto en humedales naturales, dice Banfield, pero podría ser apropiado en sitios agrícolas. Entonces, como primer paso, su grupo ahora está cazando Borgs en los arrozales de California.

Fuente: Nature.

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