Een vreemd soort genetisch materiaal is voor het eerst ontdekt in methaanetende micro-organismes. Het DNA kan worden uitgewisseld tussen verschillende elementen en gastheren.
De onderzoekers die de DNA-fragmenten ontdekten, noemden ze Borgs, naar de Star Trek-aliens die de biologie van andere wezens overnemen. Het DNA bevindt zich in de eencellige organismes archaea. Daar wisselen ze genen uit en stimuleren ze het vermogen van de gastheren om methaan op te nemen, een van de sterkste broeikasgassen.
‘Het lijkt erop dat deze Borgs een nieuw type genetisch elementen vormen’, zegt microbioloog Thijs Ettema van Wageningen University & Research, niet betrokken bij de studie.
Wat gebeurt er als de permafrost ontdooit?
Door de opwarming van de aarde dooit de permafrost in rap tempo. Aardwetenschapper Niek Jesse Speetjens deed onderzoek naar de gevolgen.
Mobiel element
Wetenschappers weten al langer van het bestaan van mobiele genetische elementen: stukken genetisch materiaal die zich kunnen verplaatsen in het genoom van de gastheer of tussen verschillende cellen. Dit zijn onder andere plasmiden (ronde stukken DNA die micro-organismen vaak onderling uitwisselen) en fagen (virussen die bacteriën en archaea infecteren).
Microbioloog Jill Banfield van de Amerikaanse Universiteit van Californië en haar collega’s lazen DNA uit om microbiële gemeenschappen in zuurstofloze modder te bestuderen. Toen stuitten ze op ongewone stukken DNA. Die stukken zetten ze nauwgezet weer in elkaar en zo reconstrueerden ze de volledige code van vier Borgelementen, die ze Purple, Black, Sky en Lilac noemden. Onderzoek van andere monsters wijst op het bestaan van nog vijftien andere types.
‘Wat allereerst opvalt, is hun grootte. Ze zijn echt gigantisch’, zegt Banfield. Met een lengte die kan oplopen tot één miljoen DNA-letters – net zo groot als een derde van het genoom van de gastheer – zijn ze het grootste mobiele genetische element dat tot nu toe is gevonden in archaea of bacteriën.
DNA uitwisselen
Hun structuur is ook bijzonder. Zo is Borg-DNA, in tegenstelling tot de circulaire plasmiden, bijvoorbeeld recht en bevat het meerdere stukken met herhalingen van DNA-code. De eiwitten waarvoor de code in de Borg-genomen staat, lijken in niets op de eiwitten van plasmiden of virussen. Het vermenigvuldigen van het DNA begint ook niet op de gebruikelijke plekken zoals we die kennen in plasmiden. Kortom: het lijkt erop dat ze volledig nieuw zijn.
Sommige Borgs gebruiken CRISPR als een soort microbieel immuunsysteem, waarschijnlijk om concurrerende mobiele genetische elementen in de gastheer uit de weg te ruimen. Bepaalde eigenschappen komen ook wel terug in andere genomen, maar nog nooit zijn ze op deze manier samen gezien.
Het is ook opmerkelijk dat de Borgs een groot aantal genen bevatten die voor eiwitten coderen. De meeste genen zijn onbekend, maar ongeveer een vijfde lijkt op genen die in archaea gevonden worden. Daarbij gaat het in het bijzonder het methaanetende geslacht Methanoperedens waarin de Borgs zich vermenigvuldigen. Naast het verkrijgen van genen van de gastheer, lijkt het erop dat verschillende Borgs ook onderling DNA uitwisselen en zich zelfs verplaatsen tussen gastheren. Hierdoor zou Methanoperedens mogelijk ook nieuwe genen van elders kunnen verkrijgen.
Ontbrekende stukje
Borgs, en in het bijzonder de Lilac-Borg, bevatten genen die het vermogen van Methanoperedens om methaan om te zetten enorm kunnen stimuleren. Dit is interessant omdat de balans tussen methaanproductie en microbiële methaanconsumptie direct het klimaat beïnvloedt, zegt microbioloog Sarah Bagby van de Amerikaanse Case Western Reserve-universiteit in Cleveland. Daarom willen wetenschappers begrijpen welke factoren beïnvloeden hoeveel methaan deze micro-organismes kunnen opnemen en hoe dat verandert over de tijd.
Borgs zijn wellicht het ontbrekende stukje in die puzzel, maar op dit moment valt er nog veel te leren. Banfield is ermee bezig en wil de oorsprong en functie van Borgeiwitten onderzoeken. ‘Wellicht dat de Borgeiwitten tot nieuwe gereedschappen voor genoombewerking leiden. Maar het is echt te vroeg om daar al over te speculeren’, zegt ze. ‘Wel is er zonder twijfel veel potentie voor nieuwe informatie en nieuwe biochemie.’
