突破將使探索地球的生化歷史成為可能，希望發(fā)現(xiàn)新的分子

使用古老的牙垢，Christina Warner和她的團隊成功地重建了長達100萬年的微生物基因組。

圖片來源：維爾納西門子基金會，費利克斯·魏

可追溯到石器時代的分子在實驗室中復(fù)活。

這一突破只有在科學(xué)家實現(xiàn)另一個之后才成為可能 - 他們成功地重建了長達100萬年的古代微生物的基因組，哈佛大學(xué)人類學(xué)副教授，新研究的作者Christina Warinner說。“這比下一個近的重建基因組要早000萬年。

Warinner也是馬克斯普朗克進化人類學(xué)研究所的小組負責人，他與一個跨學(xué)科的研究團隊合作實現(xiàn)了這一壯舉。該小組的發(fā)現(xiàn)和基因組重建技術(shù)在周四發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文中進行了概述。

作為生物分子考古學(xué)專家，Warner率先研究了古代牙垢，這是人體在生命中化石的部分。牙垢是一種鈣化牙菌斑，含有與人類骨骼相同的礦物質(zhì)，具有相似的考古發(fā)現(xiàn)生存潛力?！耙驗樗谝粋€人的牙齒上，我們可以非常清楚地將其與那個人和他們的生活聯(lián)系起來，”Warner說。

盡管如此，刮掉古老的牙齒——“我們使用與牙醫(yī)辦公室相同的工具——你可以稱我們?yōu)榉浅＿t到的牙科保健員，”Warner說——只會產(chǎn)生高度降解的遺傳物質(zhì)片段?！耙粋€典型的細菌基因組有3萬個堿基對長，但時間片段化了我們恢復(fù)到平均長度只有大約30到50個堿基對的古老DNA，”Warner解釋說。“換句話說，每個古老的細菌基因組就像一個60萬塊拼圖，每塊牙垢都包含著數(shù)百萬個基因組。

牙垢是一種鈣化牙菌斑，含有與人類骨骼相同的礦物質(zhì)，具有相似的考古發(fā)現(xiàn)生存潛力，保存DNA數(shù)千年。

到目前為止，科學(xué)家們一直試圖通過將它們與參考基因組數(shù)據(jù)庫相匹配來了解這些基因碎片，這些數(shù)據(jù)庫總是取自當今物種。Warner指出，該技術(shù)已經(jīng)成功使用，盡管局限性從一開始就很明顯?！澳阌肋h無法以這種方式找到新物種或可能滅絕的物種，”她說，“因為你只能將其與已知的東西進行比較。

大約三年前，Warner和她的團隊與化學(xué)和合成生物學(xué)專家合作開展了一個“大膽創(chuàng)新計劃”項目——重建更新世時代細菌的基因組，并利用藍圖來恢復(fù)它們長期丟失的細菌代謝物，希望有能發(fā)現(xiàn)具有潛力的生化物質(zhì)。

為此，該小組獲得了總部位于瑞士的Werner Siemens基金會的資助，旨在加強社會科學(xué)和自然科學(xué)領(lǐng)域的合作。Warinner說：“我們初的目標是在10年內(nèi)開發(fā)這項技術(shù)，但我們已經(jīng)達到了三年內(nèi)重要的里程碑，”他補充說，大流行促使人們關(guān)注計算問題解決。

研究人員從一種稱為從頭組裝的現(xiàn)有遺傳技術(shù)開始，該技術(shù)允許從測序的DNA片段中以數(shù)字方式將基因組拼湊在一起?！斑@需要你有很多數(shù)據(jù)，因為你基本上重疊了這些片段，并試圖從這些片段中建立整個基因組，”Warinner說，他也是拉德克利夫研究所Sally Starling Seaver副教授的頭銜?！叭藗冋J為這對古代DNA來說是不可能的，因為我們的片段太小了，而且太受損了。

Warner和她的合著者系統(tǒng)地測試和優(yōu)化了這項技術(shù)，直到他們在超短DNA片段上取得了突破。他們將從頭組裝應(yīng)用于從12個尼安德特人（可追溯到40，000至102，000年前）和34個人類（150至30，000年前）的牙垢中收獲的DNA。

這使得研究人員能夠重建數(shù)百個不同的基因組，其中大部分被發(fā)現(xiàn)是口腔細菌。“除了通常的嫌疑人之外，我們還能夠重建一些以前不知道的基因組，”Warner說。“因此，這導(dǎo)致了新的口腔物種的發(fā)現(xiàn)。

重建的基因組對于在更新世時代的牙垢中發(fā)現(xiàn)的兩種細菌的質(zhì)量特別高。這些基因組成為進一步研究的焦點，因為它們包含一個特殊的基因序列 - 稱為生物合成基因簇 - 編碼能夠產(chǎn)生大量化學(xué)物質(zhì)的酶?！斑@就是細菌如何制造真正復(fù)雜和有用的化學(xué)物質(zhì)，”Warner解釋說?！皫缀跛械膭┖驮S多藥物終都源于這種細菌生物合成基因簇。

在重建基因序列后，研究小組合成遺傳物質(zhì)并將其轉(zhuǎn)移到活細菌中，從而產(chǎn)生由古代基因編碼的生化物質(zhì)?！斑@證實了我們的程序集是正確的，”Warner說，“因為如果有錯誤，它根本不起作用。

接下來，勝利的研究小組計劃利用他們的技術(shù)繼續(xù)探索更新世的化學(xué)多樣性，希望終發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生新分子的物種 - 甚至可能是抗生素?！艾F(xiàn)在我們可以擴大這個過程，”Warner說?！巴蝗恢g，我們可以大規(guī)模擴展我們對生化過去的理解。