Ученые возрождают молекулы каменного века


Фото из открытых источников
Прорывы в реконструкции древнего генома и биотехнологии теперь раскрывают богатые молекулярные секреты палеолитических микроорганизмов. В новом исследовании, опубликованном в Science, междисциплинарная группа исследователей во главе с Институтом исследований натуральных продуктов и биологии инфекций Лейбница, Институтом эволюционной антропологии Макса Планка и Гарвардским университетом реконструировала бактериальные геномы ранее неизвестных бактерий, датируемых плейстоценом. Используя свои генетические чертежи, они построили биотехнологическую платформу для возрождения натуральных продуктов древних бактерий.
 
Микробы — величайшие химики природы, и среди их творений — большое количество антибиотиков и других терапевтических препаратов. Производство этих сложных химических природных продуктов — непростая задача, и для этого бактерии полагаются на особые типы генов, которые кодируют ферментативный механизм, способный производить такие химические вещества.
 
В настоящее время научные исследования микробных природных продуктов в значительной степени ограничиваются живыми бактериями, но, учитывая, что бактерии населяют Землю более 3 миллиардов лет, существует огромное разнообразие прошлых природных продуктов с терапевтическим потенциалом, которые остаются неизвестными нам — до тех пор, пока сейчас.
 
«В этом исследовании мы достигли важной вехи в раскрытии огромного генетического и химического разнообразия нашего микробного прошлого», — говорит соавтор исследования Кристина Уоринер.
 
Когда организм умирает, его ДНК быстро деградирует и распадается на множество крошечных кусочков. Ученые могут идентифицировать некоторые из этих фрагментов ДНК, сопоставляя их с базами данных, но в течение многих лет микробные археологи боролись с тем фактом, что самая древняя ДНК не может быть сопоставлена ни с чем, известным сегодня.
 
Эта проблема долгое время беспокоила ученых, но недавние достижения в области вычислительной техники теперь позволяют собирать фрагменты ДНК воедино — как кусочки головоломки — для того, чтобы реконструировать неизвестные гены и геномы. Единственная проблема заключается в том, что он не очень хорошо работает с сильно деградировавшей и чрезвычайно короткой древней ДНК плейстоцена.
 
Команда сосредоточилась на реконструкции бактериальных геномов, заключенных в зубном камне, также известном как зубной камень, от 12 неандертальцев, живших примерно 102 000–40 000 лет назад, 34 археологических людей, живших примерно 30 000–150 лет назад, и 18 современных людей. Зубной камень — это единственная часть тела, которая регулярно окаменевает в течение жизни, превращая живой зубной налет в кладбище минерализованных бактерий.
 
Исследователи реконструировали многочисленные виды бактерий полости рта, а также другие более экзотические виды, геномы которых ранее не были описаны. Среди них был неизвестный представитель Chlorobium, чья сильно поврежденная ДНК показала признаки преклонного возраста и который был обнаружен в зубном камне семи палеолитических людей и неандертальцев. Было обнаружено, что все семь геномов Chlorobium содержат кластер биосинтетических генов с неизвестной функцией.
 
Команда использовала инструменты синтетической молекулярной биотехнологии, чтобы позволить живым бактериям производить химические вещества, закодированные древними генами. Это был первый раз, когда этот подход был успешно применен к древним бактериям, и это привело к открытию нового семейства микробных природных продуктов, которые исследователи назвали «палеофуранами».
 
Успех исследования является прямым результатом амбициозного сотрудничества между археологами, биоинформатиками, молекулярными биологами и химиками с целью преодоления технологических и дисциплинарных барьеров и открытия новых научных горизонтов.
 
«Работая вместе, мы смогли разработать технологии, необходимые для воссоздания молекул, произведенных сто тысяч лет назад», — говорит Кристина Уоринер. Глядя в будущее, команда надеется использовать эту технику для поиска новых антибиотиков.