Shkencëtarët ringjallin molekulat e epokës së gurit

Përparimet në rindërtimin e gjenomit të lashtë dhe bioteknologjinë tani po zbulojnë sekretet e pasura molekulare të mikroorganizmave paleolitikë. Në një studim të ri të botuar në Science, një ekip ndërdisiplinor studiuesish të udhëhequr nga Instituti Leibniz për Kërkimin e Produkteve Natyrore dhe Biologjinë e Infeksioneve, Instituti Max Planck për Antropologjinë Evolucionare dhe Universitetin e Harvardit rindërtuan gjenomet bakteriale të baktereve të panjohura më parë që datojnë në Pleistocen. Duke përdorur planet e tyre gjenetike, ata ndërtuan një platformë bioteknologjike për të ringjallur produktet natyrore të baktereve të lashta.

Mikrobet janë kimistët më të mëdhenj të natyrës dhe ndër krijimet e tyre janë një numër i madh i antibiotikëve dhe barnave të tjera terapeutike në botë. Prodhimi i këtyre produkteve të komplikuara kimike natyrore nuk është i thjeshtë dhe për ta bërë këtë bakteret mbështeten në lloje të specializuara gjenesh që kodojnë makineri enzimatike të afta për të prodhuar kimikate të tilla.

Aktualisht, studimi shkencor i produkteve natyrore mikrobike është i kufizuar kryesisht në bakteret e gjalla, por duke pasur parasysh se bakteret kanë banuar në Tokë për më shumë se 3 miliardë vjet, ekziston një larmi e madhe e produkteve natyrore të së kaluarës me potencial terapeutik që mbeten të panjohura për ne – derisa tani.

“Në këtë studim, ne kemi arritur një moment historik të madh në zbulimin e diversitetit të gjerë gjenetik dhe kimik të së kaluarës sonë mikrobike,” thotë bashkëautorja e lartë Christina Warinner, Profesore e Asociuar e Antropologjisë në Universitetin e Harvardit, udhëheqëse e grupit në Institutin Max Planck për Evolucionin. Antropologjia (MPI-EVA) dhe Drejtues i Grupit Filial në Institutin Leibniz të Kërkimit të Produkteve Natyrore dhe Biologjisë së Infeksioneve (Leibniz-HKI).

“Qëllimi ynë është të përshkruajmë një rrugë për zbulimin e produkteve natyrore të lashta dhe të informojmë aplikimet e tyre të mundshme në të ardhmen,” shton bashkëautori i lartë Pierre Stallforth, profesor i kimisë bioorganike dhe paleobioteknologjisë në Universitetin Friedrich Schiller Jena dhe shef i Departamentit të Paleobioteknologjisë. në Leibniz-HKI.

Kur një organizëm vdes, ADN-ja e tij degradohet me shpejtësi dhe copëtohet në një mori pjesësh të vogla. Shkencëtarët mund të identifikojnë disa nga këto fragmente të ADN-së duke i përputhur me bazat e të dhënave, por për vite arkeologët mikrobialë kanë luftuar me faktin se shumica e ADN-së së lashtë nuk mund të përputhen me ndonjë gjë të njohur sot.

Ky problem i ka shqetësuar prej kohësh shkencëtarët, por përparimet e fundit në informatikë tani po bëjnë të mundur rindërtimin e fragmenteve të ADN-së së bashku – shumë si pjesët e një enigme – në mënyrë që të rindërtohen gjenet dhe gjenomet e panjohura. Problemi i vetëm është se nuk funksionon shumë mirë në ADN-në e lashtë shumë të degraduar dhe jashtëzakonisht të shkurtër nga Pleistoceni.

“Duhej të rimendonim plotësisht qasjen tonë,” thotë Alexander Hübner, studiues postdoktoral në MPI-EVA dhe bashkëautor i studimit. Tre vjet testimi dhe optimizimi më vonë, Hübner thotë se ata arritën një përparim, duke arritur shtrirje të ADN-së së rindërtuar me më shumë se 100,000 çifte bazash në gjatësi dhe rikuperimin e një game të gjerë gjenesh dhe gjenomesh të lashta. “Tani mund të fillojmë me miliarda fragmente të panjohura të ADN-së antike dhe sistematikisht t’i renditim ato në gjenomet bakteriale të humbura prej kohësh të Epokës së Akullit.”

Ekipi u fokusua në rindërtimin e gjenomeve bakteriale të mbështjella brenda gurëve dentarë, të njohur gjithashtu si gurë dhëmbësh, nga 12 Neandertalë që datojnë rreth 102,000–40,000 vjet më parë, 34 njerëz arkeologjikë që datojnë rreth 30,000–150 vjet më parë, dhe 18 njerëz të sotëm. Tartari i dhëmbëve është e vetmja pjesë e trupit që fosilizohet në mënyrë rutinore gjatë jetës, duke e kthyer pllakën e gjallë të dhëmbëve në një varrezë të baktereve të mineralizuara.

Studiuesit rindërtuan lloje të shumta bakteriale orale, si dhe specie të tjera më ekzotike, gjenomi i të cilave nuk ishte përshkruar më parë. Midis tyre ishte një anëtar i panjohur i Chlorobium, ADN-ja e të cilit shumë e dëmtuar tregonte shenjat dalluese të moshës së shtyrë dhe që u gjet në gurët dentarë të shtatë njerëzve paleolitikë dhe neandertalëve. Të shtatë gjenomet e Chlorobium u zbuluan se përmbajnë një grup gjenesh biosintetike me funksion të panjohur.

“Grumbullimi dentar i Zonjës së Kuqe 19,000-vjeçare të El Mirón, Spanjë dha një gjenom të Klorobiumit të ruajtur veçanërisht mirë,” thotë Anan Ibrahim, studiues postdoktoral në Leibniz-HKI dhe bashkëautor i studimit. “Pasi zbuluam këto gjene të lashta enigmatike, ne donim t’i çonim ato në laborator për të zbuluar se çfarë bëjnë ata.”

Ekipi përdori mjetet e bioteknologjisë molekulare sintetike për të lejuar bakteret e gjalla të prodhojnë kimikate të koduara nga gjenet e lashta. Kjo ishte hera e parë që kjo qasje ishte aplikuar me sukses për bakteret e lashta dhe rezultoi në zbulimin e një familjeje të re të produkteve natyrore mikrobiale që studiuesit e quajtën “paleofurans”.

“Ky është hapi i parë drejt aksesit në diversitetin e fshehur kimik të mikrobeve të kaluara të Tokës dhe i shton një dimension të ri emocionues zbulimit të produktit natyror,” thotë Martin Klapper, studiues postdoktoral në Leibniz-HKI dhe bashkëautor i studimit. .

Suksesi i studimit është rezultat i drejtpërdrejtë i një bashkëpunimi ambicioz midis arkeologëve, bioinformatikëve, biologëve molekularë dhe kimistëve për të kapërcyer pengesat teknologjike dhe disiplinore dhe për të thyer terren të ri shkencor.

“Ne kemi vendosur të ndërtojmë ura midis shkencave humane dhe natyrore,” thotë Pierre Stallforth. “Duke punuar në bashkëpunim, ne ishim në gjendje të zhvillonim teknologjitë e nevojshme për të rikrijuar molekulat e prodhuara njëqind mijë vjet më parë”, thotë Christina Warinner. Duke parë drejt së ardhmes, ekipi shpreson të përdorë teknikën për të gjetur antibiotikë të rinj.