Rekonstrukcja genomów mikroflory jamy ustnej obejmująca ogromny okres 100 000 lat historii ludzkości mogła ujawnić zaskakującą zmianę w rodzajach bakterii, które lubią nazywać nasze usta domem.

Naukowcy z całych Niemiec i Stanów Zjednoczonych połączyli siły, aby rozszyfrować DNA wyekstrahowane z płytki nazębnej szczątków ludzkich i neandertalskich, wykorzystując sekwencje do odtworzenia białek używanych niegdyś przez bakterie.

To ogromny moment w badaniu mikroorganizmów, które żywią ludzie, dając nam wgląd w bakterie, które nie są już częścią osobistego ekosystemu naszego organizmu. W przyszłości odkrycia te mogą być nawet wykorzystane do opracowania nowych terapii lekowych.

Kamień nazębny, czyli zwapniała płytka nazębna, jest idealną kryjówką dla drobnoustrojów, dlatego dentysta kładzie nacisk na codzienne szczotkowanie i nitkowanie zębów. Choć zapewnia ochronę bakteriom, naukowcom udało się wydobyć tylko bardzo małe fragmenty DNA ze starożytnych próbek do pracy. To pozostawiło wiele naukowej pracy detektywistycznej, aby rozszyfrować sekwencje.

„Typowy genom bakteryjny ma długość 3 milionów par zasad, ale czas fragmentuje starożytne DNA, które odzyskujemy, do średniej długości zaledwie około 30 do 50 par zasad” – mówi antropolog Christina Warinner z Uniwersytetu Harvarda w Massachusetts.

„Innymi słowy, każdy starożytny genom bakteryjny jest jak układanka składająca się z 60 000 elementów, a każdy kawałek kamienia nazębnego zawiera miliony genomów”.

Naukowcy rozpoczęli od płytki 12 neandertalczyków (w wieku od 40 000 do 102 000 lat) i 34 ludzi (w wieku od 150 do 30 000 lat).

Wcześniej takie fragmenty genetyczne byłyby porównywane z genomami współczesnych gatunków drobnoustrojów – przydatne odniesienie, ale takie, które nigdy nie ujawni gatunków, które są nowe lub wymarłe.

W tym przypadku naukowcy udoskonalili proces znany jako technika składania de novo, w której mniejsze skrawki DNA można zbudować w cały genom.

To trochę jak próba ułożenia układanki z tylko niektórymi elementami i bez obrazu, z którego można pracować. Stosuje się różne sztuczki, w tym identyfikowanie nakładek i wzorców, aby spróbować wypełnić luki – a po trzech latach dokładnego porównania i analizy wszystkich próbek można było zrekonstruować genomy bakteryjne.

Na podstawie genomów o znacznej jakości naukowcy zidentyfikowali wspólną sekwencję zwaną biosyntetycznymi skupiskami genów. Geny w tych klastrach odgrywają ważną rolę w budowie białek wewnątrz bakterii.

„W ten sposób bakterie wytwarzają naprawdę skomplikowane i przydatne chemikalia” mówi Warinner. „Prawie wszystkie nasze środki przeciwdrobnoustrojowe i wiele naszych terapii lekowych ostatecznie wywodzi się z takich bakteryjnych biosyntetycznych klastrów genów”.

Przenosząc zrekonstruowane sekwencje DNA do współczesnych bakterii, naukowcom udało się wyprodukować enzymy oparte na starożytnych schematach drobnoustrojów, które kiedyś żyły w ustach naszych przodków. Jeden z tych enzymów wytwarzał cząsteczki organiczne znane jako furany, które obecnie biorą udział w sygnalizacji między komórkami bakteryjnymi.

Na podstawie badania genów po obu stronach enzymu wytwarzającego furan naukowcy podejrzewają, że ta konkretna wersja może odgrywać rolę w regulacji fotosyntezy bakteryjnej.

W sumie największa liczba sekwencji wysokiej jakości należała do rodzaju bakterii o nazwie chlorob. Zdolne do wykorzystywania światła do utleniania siarki w celu uzyskania energii, te drobnoustroje nie są dokładnie tymi rodzajami organizmów, których spodziewalibyśmy się przytulić do naszych zębów.

Możliwe, że kiedyś żyły w ustach człowieka, pochłaniając kilka promieni, które zdarzały się ogrzewać nasze migdałki za każdym razem, gdy otwieraliśmy usta. Albo były konsekwencją picia wody ze stawu.

Chociaż nie mówimy tu o przywracaniu do życia drobnoustrojów – bakteryjnej wersji Park Jurajski – starożytne genomy są przydatne w informowaniu naukowców o tym, jak nasz mikrobiom mógł się zmieniać i ewoluować przez dziesiątki tysięcy lat.

Na przykład pojawia się pytanie, dlaczego tych bakterii nie ma już w naszych ustach – być może z powodu zmiany zachowania lub nawyków związanych z piciem – co jest przedmiotem przyszłych badań.

„Teraz możemy zwiększyć skalę tego procesu” — mówi Warinner. „Nagle możemy znacznie poszerzyć naszą wiedzę na temat biochemicznej przeszłości”.

Badania zostały opublikowane w Nauka.