En Star Trek, los Borg son un colectivo despiadado con mentalidad de colmena que asimila a otros seres con la intención de apoderarse de la galaxia. Aquí, en el planeta Tierra no ficticio, los Borg son paquetes de ADN que podrían ayudar a los humanos a combatir el cambio climático. El año pasado, un equipo dirigido por Jill Banfield descubrió estructuras de ADN dentro de un microbio que consume metano llamado Methanoperedens que parecen sobrealimentar la tasa metabólica del organismo. Llamaron a los elementos genéticos “Borgs” porque el ADN dentro de ellos contiene genes asimilados de muchos organismos. En un estudio publicado hoy como artículo de portada en Nature, los investigadores describen la curiosa colección de genes dentro de Borgs y comienzan a investigar el papel que juegan estos paquetes de ADN en los procesos ambientales, como el ciclo del carbono.
Primer contacto
Los metanoperidens son un tipo de arqueas (organismos unicelulares que se parecen a las bacterias pero representan una rama distinta de la vida) que descomponen el metano (CH4) en los suelos, las aguas subterráneas y la atmósfera para apoyar el metabolismo celular. Los metanooperedens y otros microbios que consumen metano viven en diversos ecosistemas de todo el mundo, pero se cree que son menos comunes que los microbios que utilizan la fotosíntesis, el oxígeno o la fermentación para obtener energía. Sin embargo, juegan un papel descomunal en los procesos del sistema terrestre al eliminar el metano, el gas de efecto invernadero más potente, de la atmósfera. El metano atrapa 30 veces más calor que el dióxido de carbono y se estima que representa alrededor del 30 por ciento del calentamiento global provocado por el hombre. El gas se emite naturalmente a través de procesos geológicos y por arqueas generadoras de metano; sin embargo, los procesos industriales están devolviendo metano almacenado a la atmósfera en cantidades preocupantes. Banfield, científico de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y profesor de Ciencias Planetarias y de la Tierra y Ciencias, Políticas y Gestión Ambientales en UC Berkeley, estudia cómo las actividades microbianas dan forma a los procesos ambientales a gran escala y cómo, a su vez, las fluctuaciones ambientales alterar los microbiomas del planeta. Como parte de este trabajo, ella y sus colegas toman muestras regularmente de microbios en diferentes hábitats para ver qué genes interesantes utilizan los microbios para sobrevivir y cómo estos genes podrían afectar los ciclos globales de elementos clave, como el carbono, el nitrógeno y el azufre. El equipo analiza los genomas dentro de las células, así como los paquetes portátiles de ADN conocidos como elementos extracromosómicos (ECE) que transfieren genes entre bacterias, arqueas y virus. Estos elementos permiten que los microbios obtengan rápidamente genes beneficiosos de sus vecinos, incluidos aquellos que solo tienen una relación lejana. Mientras estudiaban Methanoperedens muestreados del suelo de piscinas de humedales estacionales en California, los científicos encontraron evidencia de un tipo completamente nuevo de ECE. A diferencia de las hebras circulares de ADN que componen la mayoría de los plásmidos, el tipo de elemento extracromosómico más conocido, los nuevos ECE son lineales y muy largos, hasta un tercio de la longitud del genoma completo de Methanoperedens. Después de analizar muestras adicionales de suelos subterráneos, acuíferos y lechos de ríos en California y Colorado que contienen arqueas que consumen metano, el equipo descubrió un total de 19 ECE distintos a los que llamaron Borgs. Usando herramientas avanzadas de análisis del genoma, los científicos determinaron que muchas de las secuencias dentro de los Borg son similares a los genes que metabolizan el metano dentro del genoma real de Methanoperedens. Algunos de los Borg incluso codifican toda la maquinaria celular necesaria para comer metano por sí mismos, siempre que estén dentro de una célula que pueda expresar los genes. “Imagínese una sola célula que tiene la capacidad de consumir metano. Ahora agrega elementos genéticos dentro de esa célula que pueden consumir metano en paralelo y también agrega elementos genéticos que le dan a la célula una mayor capacidad. Básicamente crea una condición para el consumo de metano con esteroides, si lo desea”, explicó el coautor Kenneth Williams, científico sénior y colega de Banfield en el Área de Ciencias Ambientales y de la Tierra de Berkeley Lab. Williams dirigió la investigación en el sitio de Rifle, Colorado, donde se recuperó el Borg mejor caracterizado, y también es científico de campo jefe de un sitio de investigación en el East River, cerca de Crested Butte, Colorado, donde se lleva a cabo parte del muestreo actual de Banfield. El sitio de campo de East River es parte del Área de enfoque científico de la función de cuenca del Departamento de Energía, un proyecto de investigación multidisciplinario dirigido por Berkeley Lab que tiene como objetivo vincular la microbiología y la bioquímica con la hidrología y la ciencia del clima. “Nuestra experiencia está reuniendo lo que a menudo se piensa y se trata como campos de investigación completamente dispares: la gran ciencia que vincula todo, desde los genes hasta las cuencas hidrográficas y los procesos atmosféricos”.
La resistencia es inútil una desventaja
Banfield y sus colegas investigadores del Instituto de Genómica Innovadora de UC Berkeley, incluida la coautora y colaboradora de mucho tiempo Jennifer Doudna, plantean la hipótesis de que los Borg podrían ser fragmentos residuales de microbios completos que fueron engullidos por Methanoperedens para ayudar al metabolismo, de manera similar a cómo las células vegetales se aprovecharon anteriormente. -microbios fotosintéticos vivos para obtener lo que ahora llamamos cloroplastos, y cómo una antigua célula eucariota consumió a los ancestros de las mitocondrias actuales. Según las similitudes en las secuencias, la célula engullida podría haber sido un pariente de Methanoperedens, pero la diversidad general de genes que se encuentran en los Borg indica que estos paquetes de ADN se asimilaron de una amplia gama de organismos. No importa el origen, está claro que los Borg han existido junto con estas arqueas, transportando genes de un lado a otro durante mucho tiempo. En particular, se encontraron algunos Methanoperedens sin Borgs. Y, además de los genes reconocibles, los Borg también contienen genes únicos que codifican otras proteínas metabólicas, proteínas de membrana y proteínas extracelulares casi con seguridad involucradas en la conducción de electrones necesaria para la generación de energía, así como otras proteínas que tienen efectos desconocidos en sus anfitriones. Hasta que los científicos puedan cultivar Methanoperedens en un entorno de laboratorio, no sabrán con certeza qué capacidades confieren los diferentes Borg, por qué algunos microbios los usan y por qué otros no. Una explicación probable es que los Borg actúen como un casillero de almacenamiento de genes metabólicos que solo se necesitan en ciertos momentos. La investigación de monitoreo de metano en curso ha demostrado que las concentraciones de metano pueden variar significativamente a lo largo del año, generalmente alcanzando su punto máximo en el otoño y cayendo a los niveles más bajos a principios de la primavera. Por lo tanto, los Borg brindan una ventaja competitiva a los microbios que comen metano como Methanoperedens durante los períodos de abundancia, cuando hay más metano del que su maquinaria celular nativa puede descomponer. Se sabe que los plásmidos tienen un propósito similar, propagando rápidamente genes de resistencia a moléculas tóxicas (como metales pesados ​​y antibióticos) cuando las toxinas están presentes en concentraciones lo suficientemente altas como para ejercer presión evolutiva. “Existe evidencia de que diferentes tipos de Borg a veces coexisten en la misma célula huésped de Methanopreredens. Esto abre la posibilidad de que los Borg puedan estar propagando genes entre linajes”, dijo Banfield.
Explorando audazmente el universo (microbiano)
Desde que publicaron su artículo como preimpresión el año pasado, el equipo ha comenzado un trabajo de seguimiento para comprender mejor cómo los Borg pueden afectar los procesos biológicos y geológicos. Algunos investigadores están revisando conjuntos de datos de material genético de otros microorganismos, en busca de evidencia de que los Borg existen en asociación con otras especies. Mientras sus colegas usan métodos de laboratorio, la coautora Susan Mullen, estudiante de posgrado en el laboratorio de Banfield, se mojará los pies con un trabajo de campo muy pintoresco. Recientemente, inició un proyecto para tomar muestras de microbios de las llanuras aluviales del East River durante todo el año para evaluar cómo los cambios estacionales en la abundancia de Borg y otros microbios que se sabe que están involucrados en el ciclo del metano se correlacionan con los flujos estacionales de metano. Según los autores, años después, los microbios cuidadosamente cultivados repletos de Borgs podrían usarse para reducir el metano y frenar el calentamiento global. Todo es para beneficiar al colectivo: la vida en la Tierra.