Przełomy w starożytnej rekonstrukcji genomu i biotechnologii ujawniają obecnie bogate sekrety molekularne mikroorganizmów paleolitycznych.

W transdyscyplinarnym badaniu naukowcy odbudowują naturalne produkty drobnoustrojów sprzed nawet 100 000 lat, korzystając z kamienia nazębnego ludzi i neandertalczyków. Według nowego badania, nowe techniki rekonstrukcji genomów bakteryjnych zamkniętych w kamieniu nazębnym, znanym również jako kamień nazębny, od neandertalczyków i wczesnych postaci anatomicznie współczesnego człowieka, mogą doprowadzić do odkrycia nowych antybiotyków.

Naukowcami kierują Pierre Stallforth z Uniwersytetu Friedricha Schillera i Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology w Niemczech oraz Christina Warinner z Harvard University i Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, również w Niemczech.

Szkielet Czerwonej Damy

Wśród kamieni nazębnych wykorzystanych w badaniach znalazł się kamień nazębny Czerwonej Damy z jaskini El Mirón w Hiszpanii. Czerwona Dama została znaleziona w 2010 roku podczas wykopalisk przez emerytowanego profesora Leslie Spier z University of New Mexico, Lawrence’a Strausa i Davida Cuencę, który obecnie jest wykładowcą na Universidad de Cantabria w Hiszpanii. Manuel Gonzalez Morales, emerytowany profesor na Universidad de Cantabria, jest współkierownikiem projektu.

Kobieta – być może jedna z osób o szczególnym statusie w grupie łowców-zbieraczy – zmarła około 19 000 lat temu i została pochowana w jaskini El Mirón w północnej Hiszpanii. W 1996 roku archeolodzy rozpoczęli eksplorację jaskini, znajdując liczne dowody na istnienie prehistorycznych ludzi. W 2010 roku Straus i ówczesny student David Cuenca znaleźli szczątki kobiety, w tym jej szczękę, po tym, jak Straus miał coś, co opisał jako „przeczucie”, by kopać w obszarze za wygrawerowanym blokiem z tyłu ogromnego przedsionka jaskini.

Wiek prehistorycznej kobiety w chwili śmierci szacuje się na 35-40 lat, a jej kości były pokryte ochrą, czerwonym pigmentem tlenku żelaza, co skłoniło Strausa do nazwania jej Czerwoną Damą z El Mirón. Od tego odkrycia Czerwona Dama nadal oferuje potok informacji i danych archeologom i bioantropologom.

W nowym badaniu opublikowanym w Nauka, zespół naukowców zrekonstruował genomy bakteryjne nieznanych wcześniej bakterii datowanych na plejstocen. Wykorzystując swoje plany genetyczne, zbudowali platformę biotechnologiczną, aby ożywić naturalne produkty starożytnych bakterii. Technika ta może ostatecznie zostać wykorzystana do znalezienia nowych antybiotyków.

Drobnoustroje to najlepsi chemicy natury, a wśród ich wytworów znajduje się wiele światowych antybiotyków i innych leków terapeutycznych. Wytwarzanie tych skomplikowanych chemicznych produktów naturalnych nie jest proste, a aby to zrobić, bakterie polegają na wyspecjalizowanych rodzajach genów, które kodują maszynerię enzymatyczną zdolną do wytwarzania takich chemikaliów. Obecnie badania naukowe mikrobiologicznych produktów naturalnych są w dużej mierze ograniczone do żywych bakterii, ale biorąc pod uwagę, że bakterie zamieszkiwały ziemię od ponad 3 miliardów lat, istnieje ogromna różnorodność przeszłych produktów naturalnych o potencjale terapeutycznym, które pozostają nam nieznane – aż do teraz .

Układanka z miliarda elementów

Kiedy organizm umiera, jego DNA szybko się rozkłada i rozpada na wiele drobnych kawałków. Naukowcy mogą zidentyfikować niektóre z tych fragmentów DNA, dopasowując je do baz danych, ale od lat archeolodzy mikrobiolodzy wiedzą, że większości starożytnych DNA nie można dopasować do niczego znanego dzisiaj. Ten problem od dawna dręczy naukowców, ale ostatnie postępy w informatyce umożliwiają teraz ponowne dopasowanie fragmentów DNA – podobnie jak kawałki układanki – w celu zrekonstruowania nieznanych genów i genomów. Jedynym problemem jest to, że nie działa zbyt dobrze na bardzo zdegradowanym i bardzo krótkim starożytnym DNA z plejstocenu.

„Musieliśmy całkowicie przemyśleć nasze podejście” – powiedział Alexander Hübner, doktor habilitowany w Instytucie Maxa Plancka i współautor badania. Trzy lata testów i optymalizacji później Hübner powiedział, że osiągnęli przełom, osiągając długie odcinki zrekonstruowanego DNA i odzyskanie szerokiej gamy starożytnych genów i genomów, dodając: „Możemy teraz zacząć od miliardów nieznanych starożytnych fragmentów DNA i systematycznie uporządkować je w dawno zaginione genomy bakteryjne z epoki lodowcowej”.

Odkrywanie mikrobiologicznego paleolitu

Zespół skupił się na rekonstrukcji genomów bakteryjnych zamkniętych w kamieniu nazębnym, znanym również jako kamień nazębny, od 12 neandertalczyków datowanych na ok. 102 000–40 000 lat temu 34 archeologicznych ludzi datowanych na ok. 30 000–150 lat temu i 18 współczesnych ludzi. Kamień nazębny jest jedyną częścią ciała, która rutynowo ulega fosylizacji w ciągu życia, zamieniając żywą płytkę nazębną w cmentarzysko zmineralizowanych bakterii. Naukowcy zrekonstruowali liczne gatunki bakterii jamy ustnej, a także inne, bardziej egzotyczne gatunki, których genomy nie zostały wcześniej opisane.

Wśród nich był nieznany członek chlorob, którego wysoce uszkodzone DNA wykazywało cechy zaawansowanego wieku i które zostało znalezione w kamieniu nazębnym siedmiu paleolitycznych ludzi i neandertalczyków. Wszystkie siedem chlorob Stwierdzono, że genomy zawierają biosyntetyczny klaster genów o nieznanej funkcji.

„Kamień nazębny liczącej 18 800 lat magdaleńskiej Czerwonej Damy z jaskini El Mirón dostarczył szczególnie dobrze zachowanego chlorob genomu” – powiedział Anan Ibrahim, doktor habilitowany w Instytucie Leibniza i współautor badania. „Po odkryciu tych enigmatycznych starożytnych genów chcieliśmy zabrać je do laboratorium, aby dowiedzieć się, co wytwarzają”.

Zasadniczo, jak wyjaśnił Straus, „cement zębowy Czerwonej Damy był niezwykle bogaty – bogatszy niż jakikolwiek inny osobnik w próbce neandertalczyków i wczesnych Homo sapiens sapiens z górnego paleolitu — w tej bakterii i wydaje się, że wymarła po czasach Czerwonej Damy Miron pod koniec epoki lodowcowej.

Zespół wykorzystał narzędzia syntetycznej biotechnologii molekularnej, aby umożliwić żywym bakteriom wytwarzanie substancji chemicznych zakodowanych w starożytnych genach. To był pierwszy raz, kiedy to podejście zostało z powodzeniem zastosowane do starożytnych bakterii i zaowocowało odkryciem nowej rodziny naturalnych produktów mikrobiologicznych, które naukowcy nazwali „paleofuranami”.

Sukces badań jest bezpośrednim wynikiem ambitnej współpracy archeologów, bioinformatyków, biologów molekularnych i chemików w celu pokonania barier technologicznych i dyscyplinarnych oraz otwarcia nowych podstaw naukowych.

„Dzięki współpracy byliśmy w stanie opracować technologie potrzebne do odtworzenia cząsteczek powstałych sto tysięcy lat temu” – powiedział Warinner, współautor badania i profesor nadzwyczajny antropologii na Uniwersytecie Harvarda. Warinner był m.in Dziennik badań antropologicznych Wybitny wykładowca na UNM w 2022 r., któremu Straus zasugerował w 2016 r. możliwe badanie genetyczne rachunku Czerwonej Damy. Patrząc w przyszłość, zespół ma nadzieję wykorzystać tę technikę do znalezienia nowych antybiotyków.

Powiązany artykuł

Profesor UNM nadal znajduje skarbnicę informacji ze znaleziska El Miróna

Wielkoskalowa analiza genomiczna dokumentuje migracje łowców-zbieraczy z epoki lodowcowej