«Потерянные» микробные гены обнаружены в зубном налете древних людей

«Потерянные» микробные гены обнаружены в зубном налете древних людей

Около 19 000 лет назад на севере Испании умерла женщина. Ее тело было намеренно захоронено с кусочками натурального пигмента охры и помещено за глыбой известняка в пещере, известной как Эль-Мирон.

Когда в 2010 году были обнаружены ее окрашенные в охру кости, археологи окрестили ее Красной леди. Тщательное обращение с ее телом дало ученым представление о том, как люди того времени хоронили своих умерших.

Теперь, благодаря плохой гигиене полости рта того периода, ее зубы помогают осветить исчезнувший мир бактерий и их химических образований. Из зубного камня, твердого налета, который накапливается на зубах, исследователи успешно извлекли и реконструировали генетический материал бактерий, живших во рту Красной Дамы и десятков других древних людей.

Реконструкции генов, о которых сегодня сообщается в журнале Science, были достаточно точными, чтобы воспроизвести ферменты, вырабатываемые бактериями для переваривания питательных веществ. «Тот факт, что им удалось реконструировать геном из головоломки, состоящей из миллионов кусочков, уже является большим достижением», — говорит Гэри Торанзос, микробиолог-эколог из Университета Пуэрто-Рико, не участвовавший в работе. «Это «держи мое пиво и смотри, как я это делаю», и, черт возьми, они это сделали».

Изменения в диете и введение антибиотиков резко изменили микробиом современного человека, говорит вычислительный биолог из Университета Тренто Никола Сегата, которая также не принимала участия.

Секвенирование древних микробов и воссоздание их химических образований «поможет нам определить, какие функции наш микробиом мог иметь в прошлом и которые мы могли утратить», — говорит он. Возрождение этих «потерянных» генов однажды может помочь ученым разработать новые методы лечения болезней, добавляет Миккель Винтер Педерсен, молекулярный палеоэколог из Копенгагенского университета.

За последние несколько десятилетий секвенирование древней ДНК пролило свет на физические и физиологические особенности давно умерших организмов, но исследователи также использовали тот же метод для изучения генов, принадлежащих многочисленным бактериальным сообществам или микробиомам, которые когда-то населяли рот и кишечник. давно умерших людей.

Эта работа дала им представление о том, какие микробные виды могли сосуществовать с людьми до появления антибиотиков и обработанных пищевых продуктов. Но такое понимание было ограничено тем фактом, что исследователи могли использовать только современные микробы в качестве эталонов.

«Мы были ограничены бактериями, известными нам сегодня», — говорит генетик из Гарвардского университета Кристина Уориннер, соавтор нового исследования. «Мы игнорировали огромное количество ДНК неизвестных или, возможно, вымерших организмов».

Преодоление этого барьера представляло собой монументальную задачу. Реконструкция микробиома ротовой полости — супа из сотен различных видов бактерий и миллионов отдельных бактерий — из деградировавшей древней ДНК — это «все равно что собирать воедино кусочки множества головоломок и пытаться решить их, перепутав кусочки и полностью отсутствуя». — говорит Сегата.

Действительно, команде Уориннера потребовалось почти 3 года, чтобы адаптировать инструменты секвенирования ДНК и компьютерные программы для работы с гораздо более короткими фрагментами ДНК, найденными в древних образцах.

Наконец, опираясь на зубной камень 46 древних скелетов, включая дюжину неандертальцев и современных людей, умерших от 30 000 до 150 лет назад, Уориннер и его коллеги идентифицировали ДНК десятков вымерших или ранее неизвестных ротовых бактерий.

Затем команда снабдила современные бактерии Pseudomonas protegens парой древних генов для создания белков, которые производят молекулу, называемую фураном, на миллиграммы.

Считается, что современные бактерии используют фураны для клеточной передачи сигналов. Новые результаты показывают, что древние бактерии тоже были такими, что было бы невозможно предсказать, просто секвенировав их геномы. «Это лабораторное доказательство того, на что были способны древние гены», — говорит Пьер Столлфорт из Института исследований натуральных продуктов и биологии инфекций Лейбница. «Вы можете предсказать белки на основе ДНК, но не обязательно молекул, которые эти белки будут образовывать».

На первый взгляд реконструированный ими микроб казался неуместным в микробиоме полости рта. Известный как тип бактерии, называемый хлоробием, его современные родственники используют фотосинтез, чтобы выжить при небольшом количестве света и жить в анаэробных условиях, таких как стоячая вода. Они не встречаются в современных ртах и, кажется, исчезли из древних людей около 10 000 лет назад.

Этот хлоробий мог попасть в рот древним людям, потому что они пили воду в пещерах или рядом с ними. Или, говорит Уориннер, когда-то это могло быть нормальной частью древнего орального микробиома некоторых людей, выживающим при слабом свете, проникающем через щеку.

Коллеги говорят, что зубной камень был идеальным местом для начала поиска этих древних микробов. Без регулярной чистки зубы запирают остатки пищи и другие органические вещества в минеральной решетке, фактически заключая их в камень. Это помогает сохранить любую ДНК внутри и защитить ее от загрязнения по мере распада тела. «Устный исчисление — прекрасный пример лучшего места, где вы можете найти незагрязненный образец», — говорит Торанзос. «Абсолютно невозможно, чтобы что-то извне проникло внутрь».

Хотя исследователям удалось заставить современные бактерии экспрессировать гены своих ранее неизвестных или вымерших кузенов, это далеко от Парка Юрского периода, говорит Уориннер. «Мы не привезли [the microbes] вернулись к жизни, но идентифицировали ключевые гены для создания химических соединений, которые нас интересуют», — говорит Уориннер.

Восстановление древних микробных генов может пролить свет на связь нашего вида с бактериями в эволюции человека. Люди эволюционировали вместе со своими микробными партнерами и паразитами на протяжении сотен тысяч лет. Соединения, вырабатываемые древними микробами, могли играть важную роль в пищеварении и иммунных реакциях. «Бактерии не так харизматичны, как мамонты или шерстистые носороги, — говорит она, — но они химики природы, и они являются ключом к пониманию прошлого».