Interdyscyplinarny zespół naukowców zrekonstruował genomy drobnoustrojów z epoki kamienia i wykorzystał je do wytworzenia nowych cząsteczek. DNA bakterii pobrano z zębów starożytnych przodków ludzi współczesnych i neandertalczyków. Szczegóły opisano w Science.
Czytaj też: Czy to niepokojący efekt topnienia lodowców? Znaleźli w górach wirusy sprzed 15 000 lat
Wykorzystując narzędzia podobne do tych stosowanych we współczesnych gabinetach stomatologicznych, uczeni zeskrobali zwapniałą płytkę nazębną z zębów 12 neandertalczyków i 34 przedstawicieli Homo sapiens – wiek niektórych z nich sięga nawet 100 tys. lat. W ten sposób pozyskano szczątki starożytnych bakterii z zachowanym materiałem genetycznym, choć dalekim od ideału.
Prof. Christina Warinner z Uniwersytetu Harvarda, która jest także liderem grupy z Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, mówi:
Używamy takich samych narzędzi jak w gabinecie stomatologicznym – możecie nas nazwać rodzajem starożytnych higienistek dentystycznych. Ale to tylko fragmenty. Typowy genom bakterii ma długość 3 milionów par zasad, ale czas fragmentuje odzyskane przez nas starożytne DNA do średniej długości zaledwie ok. 30-50 par zasad. Innymi słowy, każdy starożytny genom bakteryjny jest jak 60 000-elementowa układanka, a każdy kawałek kamienia nazębnego zawiera miliony genomów.
Kamień nazębny źródłem starożytnego DNA
Prof. Warinner jest pionierką w badaniu starożytnego kamienia nazębnego – jedynej części ludzkiego ciała, która ulega naturalnej fosylizacji. Kamień nazębny to twardy, skamieniały osad, który prowadzi do powstawania przebarwień powierzchniowych. Kamień nazębny tworzy się wtedy, gdy pozostałości płytki nazębnej na powierzchni zęba wchodzą w reakcję z minerałami zawartymi w ślinie. Ma on podobny potencjał do przetrwania, co inne artefakty archeologiczne, a ponieważ znajduje się na zębach danej osoby, może nam wiele powiedzieć o jej życiu.
Czytaj też: Tak bakterie unikają antybiotyków. Odkryto nieznany mechanizm
Kilka lat temu zespół prof. Warinner połączył siły z ekspertami z dziedziny biochemii i biologii syntetycznej w celu zrekonstruowania genomów bakterii z epoki plejstocenu i wykorzystania uzyskanych schematów do ożywienia dawnych metabolitów bakteryjnych. Celem było odkrycie nowych cząsteczek o potencjalne terapeutycznym.
Uczeni udoskonalili technikę zwaną asemblacją de novo, która polega na wyszukiwaniu fragmentów, które nakładają się na siebie, i wykorzystywaniu ich do budowania coraz większych fragmentów genomu. Metoda ta opiera się tylko na sekwencji odczytów i zakłada, że sekwencja referencyjna i jej długość jest w tym przypadku nieznana. Zespół testował i optymalizował technikę, aż osiągnął przełom na ultrakrótkich fragmentach DNA. Asemblacja de novo została zastosowana do DNA zebranego z kamienia nazębnego 12 neandertalczyków (datowanego na 40 000 do 102 000 lat temu) i 34 przedstawicieli Homo sapiens (150 do 30 000 lat).
Dzięki temu zrekonstruowano kilka genomów, które nie było wcześniej znane, dzięki czemu odkryto nowe gatunki bakterii jamy ustnej. Są one przedmiotem dalszych badań, gdyż zawierają specjalną sekwencję genów – znanych jako klastry genów biosyntetycznych – które kodują enzymy zdolne do produkcji ogromnego wachlarza substancji chemicznych.
Prof. Warinner wyjaśnia:
W ten sposób bakterie wytwarzają naprawdę skomplikowane i użyteczne substancje chemiczne. Prawie wszystkie nasze środki przeciwbakteryjne i wiele naszych terapii lekowych ostatecznie wywodzi się z takich bakteryjnych biosyntetycznych klastrów genów.
Kiedy wprowadzono je do żywych bakterii, natychmiast zaczęły produkować cząsteczki kodowane przez starożytne geny, co potwierdziło, że główne założenie eksperymentu jest właściwe. Dopiero teraz zacznie się prawdziwa “zabawa” i poszukiwanie związków chemicznych, które mogą odmienić współczesną medycynę. Naukowcy wiele sobie po nich obiecują i mają nawet nadzieję na nowy antybiotyk.