Czy da się pozyskać DNA dinozaura? O polskich badaniach kopalnego DNA

Kopalny DNA (w skrócie aDNA, z ang. ancient, czyli antyczny lub starożytny) to materiał genetyczny, obecny w szczątkach organizmów, które dawno umarły, na przykład w kościach człowieka, żyjacego 4000 lat temu. Można go też definiować jako DNA wymarłego gatunku, takiego jak gołąb wędrowny, krowa morska czy neandertalczyk. Kopalny DNA jest z reguły mocno pofragmentowany, czyli słabej jakości. Nie można uzyskać więc z niego pełnych informacji, jak z DNA pobranego ze świeżej komórki, ale nadal jest istotnym źródłem wiedzy o przeszłości.

Dinozaury kopalne DNA aDNA

Kopalne DNA, antyczne DNA, starożytne DNA – aDNA

Jeszcze kilka dekad temu myślano, że DNA z pradawnych szczątków nie da się wyizolować. Okazało się jednak, że o ile RNA jest bardzo nietrwały, tak DNA przeciwnie – jest stosunkowo stabilny i czasem nie ulega pełnej degradacji nawet po kilkuset tysiącach lat. Jest rzecz jasna uszkodzony  pofragmentowany, ale niektóre sekwencje są możliwe do odczytania. Wiele zależy od warunków, w jakich zdeponowane były szczątki organizmów. Kopalny DNA można uzyskać, jeżeli szczątki znajdowały się  w odpowiednich warunkach, gdzie dostęp wody i tlenu był znacząco ograniczony, a temperatura była umiarkowana bądź niska. Dlatego jeden z najstarszych, liczący nawet kilkaset tysięcy lat aDNA pochodzi ze szczątków zdeponowanych w osadach polodowcowych zbiorników wodnych  i w wiecznej zmarzlinie. Kopalny DNA liczący kilka tysięcy lub kilkaset lat można często uzyskać ze szczątków kostnych pochodzących z regionów o klimacie umiarkowanym.


Oficjalne początki badań aDNA sięgają lat 80. XX wieku. Pierwsza praca została opublikowana w prestiżowym czasopiśmie „Nature” w 1984 roku i można powiedzieć, że była w genetyce i biologii molekularnej małą rewolucją. Jej autorzy wyizolowali i zsekwencjonowali DNA z ponad stuletnich próbek zebry kwaggi, wymarłej od ponad wieku. Kilka lat później w różnych laboratoriach sekwencjonowano już aDNA mający nawet kilka tysięcy lat. Jednym z pionierów tamtych czasów był szwedzki lekarz i genetyk Svante Pääbo (nota bene, autor ciekawej książki popularnonaukowej, wydanej też po polsku – „Neandertalczyk”). Nie był to łatwy okres dla badaczy aDNA, ponieważ przed upowszechnieniem się PCR, czyli łańcuchowej reakcji polimerazy, namnażanie DNA opierało się na pracochłonnym klonowaniu go w bakteriach. Później, po odkryciu PCR było już tylko lepiej – coraz bardziej wydajne ekstrahowanie DNA z próbek, a po kilkudziesięcu latach sekwencjonowanie nowej generacji i jeszcze bardziej dokładne techniki badań. Warto przy tym zaznaczyć, że na początkowych etapach prac z aDNA nie zwracano szczególnej uwagi na możliwość zanieczyszczenia prób współczesnym DNA. Dlatego też często wyniki pierwszych prac z zakresu aDNA były poddawane w wątpliwość. Obecnie wiadomo w jakich warunkach laboratoryjnych należy pracować z aDNA oraz znamy metody, które pozwalają zweryfikować autentyczność otrzymanego aDNA.

aDNA kopalne DNA Anna Juras
Nacinanie próbek do ekstrakcji aDNA. Źródło: Anna Juras

Jak stare DNA można badać? Czy da się poznać aDNA dinozaurów?

Niestety (a może na szczęście? – zależy od perspektywy i założonych celów) aDNA jest mniej lub bardziej podegradowany. Przyczyny tego są różne, np. sieciowanie DNA i białek, na które jest ono nawinięte. Oprócz tego znaczenie w degradacji DNA ma deaminacja cytozyny, która przekształcana jest w charakterystyczny dla ulotnego RNA uracyl (odczytywany przez polimerazę w PCR jako tymina) oraz deaminacja guaniny i adeniny prowadząca do powstania hipoksantyny. DNA może ulegać też depurynacji, czyli odłączaniu nukleotydów od łańcucha. To jak szybko aDNA ulega fragmentacji zależy w dużym stopniu od czynników środowiskowych tj. temperatury, wilgotności, dostępu tlenu, składu gleby, w których zdeponowane były szczątki, a także od tego z jakim dokładnie genomem mamy do czynienia – jądrowy DNA występuje w dwóch kopiach, a genomów mitochondrialnych może być kilkaset w jednej komórce. Zatem szanse uzyskania kopalnego mitochondrialnego DNA są znacznie wyższe niż genomu jądrowego. Po uzyskaniu próbek i wyizolowaniu DNA ważny jest też sposób przechowywania, podobnie jak przy współczesnym DNA.


Swego czasu doniesiono o uzyskaniu  aDNA dinozaurów. Okazało się jednak, że próbki były zanieczyszczone, a rzekome dinozaurowe sekwencje w rzeczywistości były ludzkim chromosomem Y, który został przypadkowo przeniesiony do probówki przez któregoś z męskich naukowców. Takie niechciane kontaminacje próbek są zmorą badaczy aDNA i aby im zapobiegać muszą pracować w niezwykle sterylnych warunkach – dużo bardziej restrykcyjnych niż w zwykłym laboratorium biologii molekularnej i genetyki. Jeśli zaś chodzi o możliwość izolacji DNA dinozaurów to na dzień dzisiejszy szacuje się, że najstarsze próbki jakie można by potencjalnie zsekwencjonować mają do około 1,5 miliona lat (najstarszy wydobyty aDNA to DNA chloroplastowy okrzemków odkrytych w osadach sprzed około 1,4 miliona lat). Tymczasem dinozaury wymarły ponad 60 milionów lat temu (a niektóre ich linie wyewoluowały we współczesne ptaki). Porzućmy fantazje o dinozaurach.

Badania prowadzone przez polskich naukowców – pochodzenie Polaków i Europejczyków

Badania kopalnego DNA prowadzone są także w Polsce. Na Wydziale Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu w Instytucie Antropologii zajmuje się nimi zespół kierowany przez dr Annę Juras z Zakładu Biologii Ewolucyjnej Człowieka. Wspomniałem, że udało się już zsekwencjonować genom mitochondrialny i genom jądrowy neandertalczyka. A jakie analizy prowadzone są w Instytucie Antropologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu? Badania aDNA prowadzimy przede wszystkim na ludzkich materiałach szkieletowych. Najstarsze analizowane przez nas materiały kostne były datowane na około 8000 lat, a najmłodsze miały kilkaset lat” – rozpoczyna dr inż. Anna Juras podkreślając, że zespół naukowców, w którym pracuje, zajmuje się badaniem aDNA materiałów szkieletowych nie tylko z Polski, lecz także z Ukrainy, Grecji, Czech, Węgier, Turcji, Peru czy Sudanu.


„W odniesieniu do populacji europejskich interesują nas przede wszystkim dwa zagadnienia, które miały istotne znaczenie dla ukształtowania puli genetycznej współczesnych Europejczyków. Pierwsze z nich to transformacja neolityczna, czyli przejście z łowiecko-zbierackiego trybu życia na rolniczy” – opisuje  dr Juras. Warto wiedzieć, że rewolucja rolnicza jest często przez biologów ewolucyjnych, antropologów i archeologów uważana za jedną z najważniejszych w historii naszego gatunku oraz całej planety. „Zmiana ta była związana z wielką migracją ludności – rolników z Bliskiego Wschodu do Europy. Wraz z nią przybyły nowe geny, które znacząco zmieniły dotychczasową strukturę genetyczną. Wyniki naszych badań otrzymanych dla wczesno-neolitycznych populacji z Polski, ale również dla Turcji ze znanego stanowiska w Çatalhöyük, publikowaliśmy w uznanych w tej dziedzinie czasopismach: Genes, BMC Evolutionary Biology czy Forensic Science International: Genetics” – kontynuuje badaczka, wskazując na międzynarodowy aspekt badań, który dodatkowo potwierdza współpraca z jednymi z najlepszych uniwersytetów na świecie – Uniwersytetem w Uppsali (to ten, z którego pochodził Karol Linneusz) oraz Uniwersytetem w Sztokholmie.

Kopalne DNA aDNA Anna Juras
Dr Juras pobiera próbki do izolacji aDNA. Źródło: Anna Juras

Co jeszcze bada dr Juras wraz z zespołem? „Drugie istotne dla nas zagadnienie, które również miało wpływ na współczesną pulę genów Europejczyków, to tzw. migracja populacji nomadów ze stepów regionu Morza Czarnego w kierunku Centralnej Europy ok. 3000 lat p.n.e. Interesują nas również ewentualne późniejsze wpływy stepowe na strukturę genetyczną populacji z okresu Brązu z terenu współczesnej Polski” – podkreśla. „Oprócz populacji pradziejowych interesują nas również te z okresu wpływów rzymskich i średniowiecza, stąd uczestniczymy między innymi w badaniach społeczności państwa pierwszych Piastów oraz pochodzenia Słowian”. Zespół z Zakładu Biologii Ewolucyjnej Człowieka na Wydziale Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu zajmuje się jeszcze analizą chorobotwórczych bakterii kopalnych, których genomy można wykryć w ludzkich szczątkach.  „W przyszłości zamierzamy poszerzyć nasze badania również o analizy niezwykle interesującego aDNA zwierzęcego” – podsumowuje optymistycznie dr  Juras. W badaniach tych oprócz dr Anny Juras biorą udział także m.in. dr Maciej Chyleński (biolog molekularny i archeolog), dr Edvard Ehler (genetyk populacyjny) oraz Prof. dr hab. Mirosława Dabert (kierownik Wydziałowej Pracowni Technik Biologii Molekularnej na Wydziale Biologii UAM).  Badania często są prowadzone we współpracy z antropologami fizycznymi, w tym m. in. z Prof. dr hab. Januszem Piontkiem i dr hab. Martą Krenz-Niedbałą.

Przeczytaj także: Co powinniśmy wiedzieć o dinozaurach?

Jak wygląda laboratorium do badań kopalnego DNA (aDNA)?

„Nasze laboratorium aDNA przeznaczone jest do pracy wyłącznie z podegradowanym kopalnym materiałem genetycznym pozyskiwanym z m.in. kości i zębów datowanych na setki, a czasem nawet tysiące lat” – opisuje dr Juras i kontynuuje – „Jest to super sterylna pracownia, która jest fizycznie odizolowana od laboratoriów współczesnego DNA”. Jak dokładnie wygląda takie laboratorium? „Wchodząc przechodzimy najpierw przez śluzę, w której zakładamy odzież i obuwie przeznaczone do pracy wyłącznie w sterylnej pracowni. Drugie pomieszczenie wykorzystywane jest do oczyszczania i nawiercania materiałów kostnych, a trzecie wyposażone jest w komorę laminarną i komorę do PCR, które niezbędne są do wykonywania izolacji aDNA i przygotowywania bibliotek genomowych. Po PCR aDNA jest już na tyle dużo, że nie zagrażają mu zanieczyszczenia egzogennym DNA i w związku z tym dalsze etapy pracy mogą być prowadzone we współczesnym laboratorium”.

Ponieważ zanieczyszczenie aDNA współczesnym materiałem genetycznym jest dla wiarygodności wyników bardzo groźne (co pokazuje przykład z dinozaurem i ludzkim chromosomem Y), genetycy pracujący w zespole badającym aDNA muszą przestrzegać ścisłych reguł bezpieczeństwa. „Pracownicy laboratorium aDNA zobligowani są do noszenia specjalnej odzieży ochronnej, w tym kombinezonów, podwójnych jednorazowych rękawic oraz maseczek. Zachowujemy również odpowiedni sposób przemieszczania się  – zawsze z laboratorium aDNA do pracowni „współczesnego DNA”, nigdy w przeciwnym kierunku” – wyjaśnia Anna Juras dodając, że „sterylne laboratorium wyposażone jest w nowoczesny system wentylacji, zaopatrzonej w wysokiej klasy czystości filtry HEPA, który wytwarza w pomieszczeniach nadciśnienie. Posiadamy również automatyczny system lamp UVC, a blaty i drobne sprzęty przemywane są środkami degradującymi DNA”. 

Przeczytaj także: Jak wyewoluowały walenie?

Badanie przeszłości dla przyszłości

Badanie aDNA jest przydatne w różnych dziedzinach. Zespoły zajmujące się aDNA są często bardzo interdyscyplinarne i łączą w sobie specjalistów z genetyki, biofizyki i badania izotopów, antropologii, archeologii, genetyki populacyjnej, paleontologii, biologii ewolucyjnej, zoologii. Sekwencjonowanie aDNA obecne jest zarówno w badaniach podstawowych, np. w biologii ewolucyjnej dla weryfikowania hipotez o pochodzeniu i pokrewieństwie gatunków, czy w genetyce populacyjnej do badania pochodzenia i migracji populacji ludzkich, jak i badaniach aplikacyjnych, w tym do testowania metod i narzędzi molekularnych, które w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie również w biologii sądowej (np. do identyfikacji osobniczej i badania pokrewieństwa). Ponieważ eksperymenty związane z aDNA są w zasadzie z reguły połączone z badaniem i poznawaniem przeszłości, to siłą rzeczy i naszej ludzkiej ciekawości, wzbudzają szczególne zainteresowanie i jak widać – nie bez powodu, co rozwojowi nauki przynosi spore korzyści.

Artykuł napisałem w ramach współpracy z Uniwersytetem im. Adama Mickiewicza w Poznaniu (UAM).


Literatura
Allentoft, Morten E., et al. "The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils." Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences (2012).
Briggs, Adrian W., et al. "Patterns of damage in genomic DNA sequences from a Neandertal." Proceedings of the National Academy of Sciences (2007).
Hansen, Anders J., et al. "Crosslinks rather than strand breaks determine access to ancient DNA sequences from frozen sediments." Genetics (2006).
Higuchi, Russell, et al. "DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family." Nature (1984).
Juras A, Chyleński M, Krenz Niedbała M, Malmström H, Pośpieszny Ł, Łukasik S , Bednarczyk J, Piontek J , Jakobsson M, Dabert M. 2017. Investigating kinship of Neolithic post-LBK human remains from Krusza Zamkowa, Poland. Forensic Sci Int Genet. (2017).
Juras A, Krzewińska M, Nikitin A, Ehler E, Chyleński M, Łukasik S, Krenz-Niedbała M, Sinika V, Piontek J, Ivanova S, Dabert M, Götherström A. Diverse origin of mitochondrial lineages in Iron Age Black Sea Scythians. Sci Rep. (2017).
Kirkpatrick, John B., Emily A. Walsh, and Steven D’Hondt. "Fossil DNA persistence and decay in marine sediment over hundred-thousand-year to million-year time scales." Geology (2016).
Montiel, Rafael, Assumpcio Malgosa, and Paolo Francalacci. "Authenticating ancient human mitochondrial DNA." Human Biology (2001).
Overballe-Petersen, Søren, Ludovic Orlando, and Eske Willerslev. "Next-generation sequencing offers new insights into DNA degradation." Trends in biotechnology (2012).
Pääbo, Svante. "Molecular cloning of ancient Egyptian mummy DNA." Nature (1985).
Pääbo, Svante. "Preservation of DNA in ancient Egyptian mummies." Journal of Archaeological Science (1985).
Philips A, Stolarek I, Kuczkowska B, Juras A, Handschuh L, Piontek J, Kozlowski P, Figlerowicz M. Comprehensive analysis of microorganisms accompanying human archaeological remains. GigaScience. (2017).
Saiki, Randall K., et al. "Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase." Science (1988).
Sczepanski, Jonathan T., et al. "Rapid DNA–protein cross-linking and strand scission by an abasic site in a nucleosome core particle." Proceedings of the National Academy of Sciences (2010).
Zischler, Hans, et al. "Detecting dinosaur DNA." Science (1995).
Łukasz Sakowski. Czytaj więcej
    Skomentuj na blogu
    Skomentuj na Facebooku

0 komentarze :

Prześlij komentarz