Учёные воскресили молекулы каменного века

Прорывы в реконструкции древних геномов и биотехнологии позволили раскрыть молекулярные секреты палеолитических микроорганизмов. В новом исследовании, опубликованном в Science, междисциплинарная команда под руководством Института исследования природных продуктов и биологии инфекций им. Лейбница, Института эволюционной антропологии общества Макса Планка и Гарвардского университета реконструировала геномы ранее неизвестных бактерий эпохи плейстоцена. Используя их генетические «чертежи», учёные создали биотехнологическую платформу для возрождения природных продуктов этих древних бактерий.

Микробы — величайшие химики природы, создавшие множество мировых антибиотиков и других терапевтических препаратов. Для производства этих сложных химических природных продуктов бактерии используют специализированные гены, кодирующие ферментативный аппарат.

В настоящее время изучение микробных природных продуктов в основном ограничено живыми бактериями. Однако, учитывая, что бактерии населяют Землю более 3 миллиардов лет, существует огромное разнообразие древних природных продуктов с терапевтическим потенциалом, которые оставались неизвестными — до сих пор.

Головоломка из миллиарда фрагментов

ДНК организма после его смерти быстро деградирует и распадается на множество мелких фрагментов. Учёные могут идентифицировать некоторые из них, сравнивая с базами данных, но большая часть древней ДНК не соответствует ничему известному сегодня.

Современные вычислительные методы теперь позволяют «собрать» эти фрагменты, как части пазла, чтобы реконструировать неизвестные гены и геномы. Однако этот подход плохо работал с крайне деградировавшей и короткой древней ДНК из плейстоцена.

«Нам пришлось полностью переосмыслить наш подход», — говорит Александр Хюбнер, постдок в MPI-EVA и соавтор исследования. После трёх лет тестирования и оптимизации команда достигла прорыва, восстановив участки ДНК длиной более 100 000 пар оснований и получив широкий спектр древних генов и геномов. «Теперь мы можем начать с миллиардов неизвестных древних фрагментов ДНК и систематически собирать их в давно утраченные бактериальные геномы ледникового периода».

Исследование микробного палеолита

Команда сосредоточилась на реконструкции бактериальных геномов из зубного камня 12 неандертальцев (возраст около 102 000–40 000 лет), 34 древних людей (около 30 000–150 лет) и 18 современных людей. Зубной камень — единственная часть тела, которая регулярно минерализуется при жизни, превращая зубной налёт в «кладбище» окаменевших бактерий.

Были реконструированы многочисленные виды оральных бактерий, а также более экзотические виды, чьи геномы ранее не описывались. Среди них оказался неизвестный представитель Chlorobium, чья сильно повреждённая ДНК демонстрировала признаки глубокой древности. Его обнаружили в зубном камне семи людей палеолита и неандертальцев. Во всех семи геномах Chlorobium нашли биосинтетический кластер генов неизвестной функции.

«Зубной камень «Красной леди» из Эль-Мирона (Испания), возрастом 19 000 лет, дал особенно хорошо сохранившийся геном Chlorobium», — говорит Анан Ибрагим, постдок в Leibniz-HKI и соавтор исследования. «Обнаружив эти загадочные древние гены, мы захотели проверить в лаборатории, что они производят».

Химия ледникового периода

Команда использовала методы синтетической молекулярной биотехнологии, чтобы заставить современные бактерии производить химические вещества, закодированные древними генами. Это первый успешный опыт применения такого подхода к древним бактериям. В результате была открыта новая семья микробных природных продуктов, которую исследователи назвали «палеофуранами».

«Это первый шаг к доступу к скрытому химическому разнообразию микробов прошлого Земли, и он добавляет новое, захватывающее временное измерение в открытие природных продуктов», — говорит Мартин Клаппер, постдок в Leibniz-HKI и соавтор исследования.

Успех исследования стал прямым результатом амбициозного сотрудничества археологов, биоинформатиков, молекулярных биологов и химиков для преодоления технологических и дисциплинарных барьеров.

«Мы стремились построить мосты между гуманитарными и естественными науками», — говорит Пьер Штальфорт. «Работая совместно, мы смогли разработать технологии, необходимые для воссоздания молекул, произведённых сто тысяч лет назад», — добавляет Кристина Варниннер. В будущем команда надеется использовать эту технику для поиска новых антибиотиков.