Gefrier­trocknung verwandelte das DNA eines wolligen Mammuts in 3-D "Chromoglas"

Rindfleischstreifen und einige Wollhaarmammuts haben mindestens eine Gemeinsamkeit: Durch Trocknung wird ihr DNA zu superhartem Glas.

Diese glasige DNA ist so stabil, dass sie die dreidimensionale Struktur der Chromosomen in einem Wollhaarmammut für 52.000 Jahre bewahrt hat, berichten Forscher am 11. Juli in Cell. Der Fund gewährte den Forschern einen beispiellosen Einblick in das genetische Lehrbuch des ausgestorbenen Tieres, und enthüllte sogar Gene, die vor dem Tod des Mammuts ein- und ausgeschaltet wurden, sagt die Genomforscherin und Neurologin Cynthia Pérez Estrada. Wenn weitere gut erhaltene Proben gefunden werden können, könnten Einblicke in die Genaktivität Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie ausgestorbene Organismen funktionierten, und nicht nur wie sie aussahen.

Die detaillierte Untersuchung des Mammutfilmes wurde möglich, nachdem ein internationales Team von Wissenschaftlern herausgefunden hatte, wie sie eine Technik namens Hi-C anwenden konnten, um alte DNA zu untersuchen.

"Ich kenne Hi-C schon eine Weile. Ich konnte einfach nie einen Weg denken, wie man es auf alte DNA anwenden würde", sagt Christina Warinner, eine biomolekulare Archäologin an der Harvard-Universität, die nicht an der Studie beteiligt war.

Denn DNA zerfällt im Laufe der Zeit. Es war schwer vorstellbar, dass die winzigen Bruchstücke alter DNA die Form von Chromosomen beibehalten könnten, sagt Warinner. Und Hi-C, das für die Untersuchung der 3-D-Struktur von Metern von DNA verwendet wird, die in einem Zellkern verpackt sind, erfordert normalerweise frische, intakte Proben.

Sogar Pérez Estradas Kollegen, die an der Baylor College of Medicine in Houston an der 3-D-DNA-Struktur arbeiten, waren nicht davon überzeugt, dass solche Techniken bei degradierten Proben funktionieren könnten. Pérez Estrada dachte, dass es möglich ist, also testete sie Hi-C an Truthahnknochen nach dem Thanksgiving-Abendessen, an Gewebe von einer ausgetrockneten Straßenkill-Maus, die sie auf dem Weg zur Arbeit fand, und an einem Stück Leder aus ihrer Tasche.

"Alle diese Experimente waren faszinierend, weil sie tatsächlich zeigten, dass die Struktur der DNA ziemlich widerstandsfähig ist", sagt sie. "Und trotz des Kochens und trotz der Sonne und der Umgebung, wenn man von der Maus spricht, war die Struktur der DNA immer noch da."

Aber sie wusste nicht, ob die Struktur über Tausende von Jahren halten würde. Also tat sie sich mit Marcela Sandoval-Velasco zusammen, die damals an der Universität Kopenhagen arbeitete. Sandoval-Velasco hatte seit Jahren an alter DNA gearbeitet und war interessiert daran, 3-D-Strukturen zu untersuchen. Sie brachte "einen Beutel voller Wunder" - Museumsstücke von Ameisen, Bienen, Quastenflossern, Fischen, Reptilien, Vögeln und Tieren - nach Houston zum Testen, Perez Estrada sagt. Und Pérez Estrada besuchte Kopenhagen, wo die Forscher alte Polarbärenschädel und einen mumifizierten Wolf untersuchten.

Die Experimente scheiterten oft. Die für frische Proben verwendete Hi-C-Methode funktionierte nicht bei alten Proben, daher musste eine neue Version - die sie PaleoHi-C nannten - erfunden werden. Das ist Forschung, sagt Sandoval-Velasco, die jetzt an der Nationalen Autonomen Universität Mexikos in Cuernavaca tätig ist. "Sie geht langsam. Sie ist iterativ. Sie ist voller Misserfolge, und es geht darum, nicht aufzugeben." Auch Teamarbeit hilft, sagt sie. Mehr als 50 Wissenschaftler mit verschiedenen Fachgebieten kamen für die Studie zusammen.

Nach Jahren von teilweisem Erfolg und Fehlschlägen erhielt das Team Zugang zu Haut vom Kopf eines Wollhaarmammuts, das vor etwa 52.000 Jahren in Sibirien gestorben war. Das Mammut wurde gefriergetrocknet und im Permafrost konserviert.

Schnelles Trocknen hatte die alte DNA in einen festen Molekularzustand gesperrt, der dem von Glas ähnelt, genannt Chromoglas. Die Genetiker und ein Team theoretischer Physiker schlussfolgerten, dass die Chromoglasstruktur verhinderte, dass die DNA-Stücke voneinander wegdriften.

In unkonventionellen Experimenten mit laborgefertigtem Rindfleischstreifen fand das Team heraus, dass solche glasige DNA mindestens ein Jahr lang bei Raumtemperatur stabil bleiben und unterschiedlichen Beleidigungen standhalten kann, einschließlich Mikrowellenbestrahlung, Überfahren mit einem Auto, Zerschlagen mit einem Fastball und Beschuss mit einer Schrotflinte.

Die glassige DNA des Mammuts hielt seine Chromosomen an Ort und Stelle. Die Forscher konnten erstmals die Anzahl der Chromosomen eines Mammuts zählen - 28 Paare, genau wie Elefanten, sagte Erez Lieberman Aiden, ein Genetiker an der Baylor College of Medicine, während einer Pressekonferenz am 2. Juli. Mammuts haben auch die gleiche grundlegende Chromosomenstruktur wie Elefanten.

Chromosomen, die im Zellkern verstaut sind, ähneln einem Wollknäuel nachdem eine Katze damit gespielt hat. Das verwirrte Aussehen verbirgt die sorgfältig orchestrierte Struktur darin.

Gene, die eingeschaltet sind, werden in ein Subzellularkompartiment verschoben wie Tänzer, die die Tanzfläche betreten, während Gene, die ausgeschaltet werden sollen, in einem anderen Kompartiment in die Ecke verbannt werden. Bei der Untersuchung der Kompartimente fanden die Forscher 425 Gene, die bei Mammuts aktiv waren, aber nicht bei Elefanten, und 395 Gene, die bei Elefanten aktiviert waren, aber nicht bei Mammuts.