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Encuentran secuencias genéticas gigantes asociadas a arqueas del metano que parecen ser elementos extracromosómicos.

Un hallazgo aún sin confirmar tiene a los científicos un tanto perplejos. Un grupo de investigadores ha encontrado nuevas estructuras de ADN que parecen recolectar y ‘asimilar’ genes de microorganismos en su entorno en lo que parece ser una locura de transferencia horizontal de genes.

Todo empezó cuando cuando la geomicrobióloga Jill Banfield (Universidad de California, Berkeley) junto a el estudiante de posgrado Basem Al-Shayeb estaban buscando virus que infectan las arqueas, un tipo de microbio que a menudo se encuentra en lugares sin oxígeno.

Cavaron un metro o más debajo de la superficie del jardín de la casa de Banfield y recolectaron muestras de lodo que podrían albergar arqueas y sus virus. Luego, secuenciaron cada tramo de ADN en las muestras y usaron técnicas computacionales para buscar secuencias interesantes de virus u otros microorganismos. Descubrieron un extraño «cromosoma» lineal que incluía genes de una variedad de microbios.

El hijo de Banfield propuso durante la cena de Acción de Gracias de 2020 que se nombrara ‘borgs’ a estas secuencias de ADN en honor a la serie de ciencia ficción Star Trek, pues, al igual que los extraterrestres ficticios de esa serie asimilan el conocimiento y la tecnología de otras especies, estas entidades parecen asimilar ADN de las formas de vida que les rodean. Son algo así como nuevo tipo de paquete de material genético

Su origen es un misterio. No se sabe si han sido parte de un genoma viral o de una bacteria extraña. Tal vez son solo una pieza independiente de ADN que existe fuera de las células. En todo caso, de momento, el asunto parece bastante emocionante a la espera de que el descubrimiento se confirme, pues el artículo está en un repositorio y aún no ha sido revisado por pares (recordemos lo que pasó con las bacterias de arsénico).

Estas hebras de ADN extralargas parecen tener alguna similitud con otro tipo de estructuras genéticas, como los plásmidos circulares o los conocidos como elementos extracromosómicos (EEC).

Muchos microorganismos tienen uno o dos «cromosomas» que codifican su patrón genético primario, pero pueden albergar y compartir entre ellos, muchos EEC distintos. Portan genes no esenciales pero útiles para estos microbios. Los borgs serían un tipo de EEC extragrandes previamente desconocidos y únicos que no se habían visto antes.

Su gran tamaño varía entre más de 600 mil y un 1 millón de pares de bases de ADN de longitud. Son tan grandes que tienen hasta un tercio de la longitud del cromosoma principal en sus microbios anfitriones.

Banfieldy sus colaboradores estudian cómo los microbios influyen en el ciclo del carbono, incluida la producción y degradación del metano. Así que en 2019 fueron a buscar EEC en los humedales de California que contuvieran genes involucrados en el ciclo del carbono. Allí encontraron los primeros borgs y luego identificaron 19 tipos diferentes en otros sitios similares. Cada borg lleva el nombre de un color, como «oliva» o «lila».

Así, encontraron borgs en el agua subterránea de Colorado a aproximadamente 1 metro de profundidad y se hicieron más abundantes en las profundidades. También aparecieron en una mina de mercurio abandonada en Napa (California) y en el lecho poco profundo del East River en Colorado. En todos los lugares los borgs coexistían con el ADN de una arquea llamada Methanoperedens, que metaboliza el metano. Como los borgs parecen estar asociados con estas arqueas, los genes borg parecen estar involucrados en este proceso de oxidación del metano, según Banfield.

El problema es que los científicos todavía no saben cómo cultivar Methanoperedens en el laboratorio, por lo que la conclusión del equipo de que las arqueas podrían usar borgs para el procesamiento de metano se basa solo en datos de la secuencia de ADN. Así que para que el hallazgo se considere definitivo será necesario encontrar borgs en cultivos de Methanoperedens.

Los borgs parecen albergar muchos genes necesarios para procesos metabólicos completos, incluida la metabolización del metano. Banfield describe estas colecciones de genes como «cajas de herramientas» que podría sobrecargar las habilidades de Methanoperedens, así que deben ser importantes.

Además de su notable tamaño, los borgs son lineales (no circulares como otros EEC), reflejan secuencias repetitivas en cada extremo de la hebra y tienen muchas otras secuencias repetitivas. Además, hay lugares a lo largo de la secuencia donde podía comenzar la duplicación del ADN, lo que indicaría que los borgs podían hacer copias de sí mismos y que no eran solo una mezcla aleatoria de genes.

Al analizar el genoma de borgs, este equipo de investigadores también vio características que sugieren que los borgs han asimilado genes de diversas fuentes, incluido el cromosoma principal de Methanoperedens.

Esta investigadiora sostiene 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.

Banfield confiesa que no sabe realmente cómo surgieron los borgs, pero especula que en un primer momento las secuencias de ADN eran los genomas de un pariente cercano a Methanoperedens que fue recogido y comenzó a vivir dentro de la arquea. Finalmente, solo quedó el ADN, ahora muy modificado, dentro del microbio, además del ADN propio de la arquea. Sería un proceso similar a cómo las células eucariotas ganaron mitocondrias generadoras de energía al asimilar bacterias libres.

Los borgs carecen de muchos genes necesarios para la vida, por lo que estos investigadores sostienen que no parecen provenir de otros microbios distintos a Methanoperedens. Tampoco parcen provenir de un virus, pues en este caso las secuencias son normalmente más cortas.

Como el metano es un potente gas de efecto invernadero, los investigadores implicados dicen que una posible aplicación de los borgs podría ser la lucha contra el cambio climático. Así, fomentar el crecimiento de microbios que los contengan quizás podría reducir las emisiones de metano generadas por las arqueas que viven en el suelo (una gigatonelada a nivel mundial anualmente).

En todo caso, el hallazgo refuerza la idea de que muchos elementos genéticos pueden saltar entre los cromosomas de un organismo o entre organismos, lo que facilita que los microorganismos adquieran nuevos genes para adaptarse a los cambios en su entorno.

El equipo de Banfield está ahora investigando la función de borgs y el papel de sus repeticiones de ADN.

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Fuentes y referencias:
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Foto: Jill Banfield.