„Изгубени“ микробни гени, открити в зъбната плака на древните хора

„Червената дама“, погребана преди 19 000 години в пещера в Северна Испания, през 2010 г., помогна на учените да открият „изгубените“ преди столетия микроби. Генните реконструкции, представени преди около месец пред сп. Science, се оказали достатъчно точни, за да възпроизведат ензимите, произведени от бактериите, за да помогнат за смилането на хранителните вещества.

Наричат я „Червената дама“ заради оцветените ѝ с естествена охра кости, поради оставените по време на погребението ѝ парчета плат, напоени с багрилото.

Сега, благодарение на лошата хигиена на устната кухина от този период, зъбите ѝ помагат да се освети един изчезнал свят от бактерии и техните химически образования. От зъбен камък, твърдата като скала плака, която се натрупва върху зъбите, изследователите успешно възстановиха и реконструираха генетичния материал на бактериите, живеещи в устата на Червената дама и десетки други древни индивиди.

 „Само фактът, че успяха да възстановят генома от пъзел с милиони части, е голямо постижение“, казва Гари (Gary Toranzos), екологичен микробиолог от Университета на Пуерто Рико, който не е участвал в работата. „Това е нещо като „дръж ми бирата и гледай как го правя“ и момчето го направиха.“

Промените в диетата и въвеждането на антибиотици са променили драматично съвременния човешки микробиом, казва изчислителният биолог от Университета на Тренто Никола (Nicola Segata), който не е участник в разработките. Секвенирането на древни микроби и пресъздаването на техните химически творения „ще ни помогне да идентифицираме какви функции може да е имал нашият микробиом в миналото, които може да сме загубили“, казва още той. Възкресяването на тези „изгубени“ гени може един ден да помогне на учените да измислят нови лечения за болести, добавя Микел Уинтер  (Mikkel Winther Pedersen), молекулярен палеоеколог от университета в Копенхаген.

През последните няколко десетилетия секвенирането на древна ДНК осветли физическите и физиологичните особености на отдавна мъртвите организми, но изследователите също са използвали същата техника, за да изследват гените, принадлежащи към гъмжащите бактериални общности или микробиоми, които някога са населявали устата и червата на отдавна починали хора.

Тази работа им е дала представа кои микробни видове може да са съжителствали с хората преди появата на антибиотиците и преработените храни. Но това разбиране е ограничено от факта, че изследователите могат да използват само съвременни микроби като референции. 

„Бяхме ограничени до бактерии, които познаваме от днес“, казва генетикът от Харвардския университет Кристина Уорнър (Christina Warinner), съавтор на новото изследване. „Игнорирахме огромни количества ДНК от неизвестни или вероятно изчезнали организми.“

Разбиването на тази бариера представляваше монументално предизвикателство. Реконструирането на орален микробиом – супа от стотици различни бактериални видове и милиони отделни бактерии – от деградирала древна ДНК е „като да хвърлите заедно парчета от много пъзели и да се опитвате да ги разрешите, като частите са смесени и някои части липсват изцяло“, Сегата казва.

Наистина, на екипа на Уорнър са били необходими близо 3 години, за да адаптира инструментите за секвениране на ДНК и компютърните програми, за да работят с много по-късите фрагменти от ДНК, намерени в древни проби. Най-накрая, използвайки зъбен камък от 46 древни скелета – включително дузина неандерталци и съвременни хора, умрели преди между 30 000 и 150 години – Warinner и колеги идентифицираха ДНК от десетки изчезнали или неизвестни досега орални бактерии.

След това екипът оборудва съвременни бактерии Pseudomonas protegens с чифт древни гени, за да произвеждат протеини, които произвеждат молекула, наречена фуран, на стойност милиграми. Смята се, че съвременните бактерии използват фурани за клетъчна сигнализация. Новите открития предполагат, че древните бактерии също са го направили – нещо, което би било невъзможно да се предвиди чрез просто секвениране на техните геноми. „Това е доказателство от мокра лаборатория за това на какво са били способни древните гени“, казва Пиер (Pierre Stallforth) от Института Лайбниц за изследване на природни продукти и биология на инфекциите. „Можете да предвидите протеини въз основа на ДНК, но не непременно молекулите, които тези протеини ще направят.“

На пръв поглед микробът, който реконструираха, изглеждаше неуместен в оралния микробиом. Идентифицирани като вид бактерия, наречена хлоробий, съвременните й роднини използват фотосинтеза, за да оцелеят при малки количества светлина и да живеят в анаеробни условия, като застояла вода. Те не се срещат в съвременните уста и изглежда са изчезнали от древните хора преди около 10 000 години.

Този хлоробий може да е влязъл в устата на древните хора, защото са пили вода в или близо до пещери. Или, казва Уоринър, може някога да е била нормална част от древния орален микробиом на някои хора, оцелявайки от слаба светлина, проникваща през бузата.

„Оралният зъбен камък е идеалният пример за най-доброто място, където можете да намерите незамърсена проба“, казва Торанцос. „Няма абсолютно никакъв начин нещо отвън да влезе.“

Въпреки че изследователите са успели да подтикнат съвременните бактерии да изразят неоткритите преди това или изчезнали гени на братовчеди, това е далеч от Джурасик парк , казва Уоринер. „Не сме върнали [микробите] към живот, но идентифицирахме ключови гени за създаване на химически съединения, които ни интересуват“, казва Уоринер.

Възстановяването на древни микробни гени има потенциала да осветли връзката на нашия вид с бактериите през човешката еволюция. Хората са еволюирали заедно със своите микробни партньори и паразити в продължение на стотици хиляди години. Съединенията, произведени от древни микроби, може да са изиграли важна роля в храносмилането и имунните реакции. 

„Бактериите не са толкова харизматични като мамутите или вълнестите носорози“, казва тя, „но те са химиците на природата и са ключови за разбирането на миналото.“

Превод: Петър Димитров

––––––––––––––––––––––––––––––––

Източник: ‘Lost’ microbial genes found in dental plaque of ancient humans, Science