Kategorie:

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).

 

bioksiążka

 

Najnowsze wpisy

`

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *