În cadrul unui studiu transdisciplinar, oamenii de ştiinţă reconstruiesc produse naturale microbiene vechi de până la 100.000 de ani folosind tartrul dentar al oamenilor şi al Neanderthalienilor.
Progresele în reconstrucţia genomului antic şi în biotehnologie dezvăluie acum secretele moleculare ale microorganismelor paleolitice.
Într-un nou studiu publicat în revista Science, o echipă transdisciplinară de cercetători condusă de Institutul Leibniz pentru Cercetarea Produselor Naturale şi Biologia Infecţiilor, Institutul Max Planck pentru Antropologie Evolutivă şi universitatea Harvard a reconstruit genomurile bacteriene ale unor bacterii necunoscute până acum, datând din Pleistocen.
Folosind planurile lor genetice, au construit o platformă biotehnologică pentru a reînvia produsele naturale ale bacteriilor antice.
Microbii sunt cei mai mari chimişti ai naturii, iar printre creaţiile lor se numără un număr mare de antibiotice şi alte medicamente terapeutice din lume.
Producerea acestor produse chimice naturale complicate nu este simplă, iar pentru a face acest lucru, bacteriile se bazează pe tipuri specializate de gene care codifică maşinării enzimatice capabile să producă astfel de substanţe chimice.
În prezent, studiul ştiinţific al produselor naturale microbiene se limitează în mare măsură la bacteriile vii, dar, având în vedere că bacteriile locuiesc pe Pământ de peste 3 miliarde de ani, există o diversitate enormă de produse naturale din trecut cu potenţial terapeutic care ne sunt necunoscute până acum.
„În acest studiu, am atins o etapă majoră în dezvăluirea vastei diversităţi genetice şi chimice a trecutului nostru microbian", spune coautorul Christina Warinner, profesor asociat de antropologie la universitatea Harvard, lider de cercetare la Institutul Max Planck de Antropologie Evolutivă (MPI-EVA) şi la Institutul Leibniz pentru Cercetarea Produselor Naturale şi Biologia Infecţiilor (Leibniz-HKI).
Scopul cercetătorilor este de a identifica produse naturale străvechi şi de a obţine informaţii cu privire la potenţialele lor aplicaţii viitoare.
(Foto: Microbii sunt cei mai mari chimişti ai naturii, iar prin studierea genomurilor bacteriilor antice, ar putea fi posibilă descoperirea unor noi utilizări pentru molecule foarte vechi. Credit: Fundaţia Werner Siemens, Felix Wey).
Un puzzle de un miliard de piese
Atunci când un organism moare, ADN-ul său se degradează rapid şi se fragmentează într-o multitudine de piese minuscule.
Oamenii de ştiinţă pot identifica unele dintre aceste fragmente de ADN prin compararea lor cu bazele de date, însă, timp de ani de zile, microbiologii s-au luptat cu faptul că majoritatea ADN-ului antic nu poate fi comparat cu nimic cunoscut astăzi.
Această problemă i-a încurcat multă vreme pe oamenii de ştiinţă, dar progresele recente în domeniul informaticii fac acum posibilă refacerea fragmentelor de ADN - la fel ca piesele unui puzzle - pentru a reconstrui gene şi genomuri necunoscute.
Singura problemă este că acest lucru nu funcţionează foarte bine în cazul ADN-ului antic foarte degradat şi extrem de scurt din Pleistocen (era glaciară).
„A trebuit să ne regândim complet abordarea", spune Alexander Hübner, cercetător postdoctoral la MPI-EVA şi co-autor principal al studiului.
Trei ani de teste şi optimizare mai târziu, Hübner spune că au ajuns la o descoperire, reuşind să obţină întinderi de ADN reconstruit cu o lungime de peste 100.000 de perechi de baze şi recuperarea unei game largi de gene şi genomuri antice.
„Acum putem porni de la miliarde de fragmente de ADN vechi necunoscute şi le putem ordona sistematic în genomuri bacteriene demult pierdute ale Epocii Glaciare".
Explorarea microbilor din Paleolitic
Echipa s-a concentrat pe reconstrucţia genomurilor bacteriene înglobate în calculul dentar, cunoscut şi sub numele de tartru dentar, de la 12 Oameni de Neanderthal dataţi cu aproximativ 102.000-40.000 de ani în urmă, şi 34 de oameni arhaici, dataţi cu aproximativ 30.000-150 de ani în urmă, şi 18 oameni din zilele noastre.
Tartrul dentar este singura parte a corpului care se fosilizează în mod obişnuit în timpul vieţii, transformând placa dentară vie într-un cimitir de bacterii mineralizate.
Cercetătorii au reconstruit numeroase specii de bacterii orale, precum şi alte specii mai exotice ale căror genomuri nu fuseseră descrise până acum.
Printre acestea se număra un membru necunoscut al speciei Chlorobium, al cărui ADN foarte deteriorat prezenta semnele unei vârste avansate şi care a fost găsit în calculul dentar a şapte oameni din Paleolitic şi Oameni de Neanderthal.
S-a constatat că toate cele şapte genomuri Chlorobium conţin un grup de gene biosintetice cu funcţie necunoscută.
„Tartrul dentar al Doamnei Roşii din El Mirón, Spania, în vârstă de 19.000 de ani, a dat un genom Chlorobium deosebit de bine conservat", spune Anan Ibrahim, cercetător postdoctoral la Leibniz-HKI şi coautor principal al studiului.
După ce am descoperit aceste gene antice enigmatice, oamenii de ştiinţă le-au cercetat în laborator pentru a afla ce produc ele.
Chimia erei glaciare
Echipa a folosit instrumente de biotehnologie moleculară sintetică pentru a permite bacteriilor vii să producă substanţele chimice codificate de genele antice.
A fost pentru prima dată când această abordare a fost aplicată cu succes la bacteriile antice şi a dus la descoperirea unei noi familii de produse naturale microbiene pe care cercetătorii le-au numit „paleofurani".
„Acesta este primul pas spre accesarea diversităţii chimice ascunse a microbilor din trecutul pământului şi adaugă o nouă şi interesantă dimensiune temporală la descoperirea produselor naturale", spune Martin Klapper, cercetător postdoctoral la Leibniz-HKI şi coautor principal al studiului.
O colaborare inedită pentru fondarea unui nou domeniu
Succesul studiului este rezultatul direct al unei colaborări ambiţioase între arheologi, bioinformaticieni, specialişti în biologie moleculară şi chimişti pentru a depăşi barierele tehnologice şi disciplinare şi a deschide un nou teren ştiinţific.
„Cu finanţare de la Fundaţia Werner Siemens, ne-am propus să construim punţi între ştiinţele umaniste şi cele naturale", spune Pierre Stallforth.
„Lucrând în colaborare, am reuşit să dezvoltăm tehnologiile necesare pentru a recrea moleculele produse în urmă cu o sută de mii de ani", spune Christina Warinner.
Privind spre viitor, echipa speră să folosească noile tehnici dezvoltate pentru a găsi noi antibiotice.
