Científicos "reviven" moléculas de la Edad de Piedra a partir de ADN antiguo.

Los microbios son los mayores químicos de la Naturaleza, y estudiando los genomas de bacterias antiguas, es posible descubrir nuevos usos para moléculas muy antiguas. 

En un estudio altamente transdisciplinario, los científicos están reconstruyendo productos naturales microbianos de hasta 100.000 años de antigüedad a partir del cálculo dental de humanos y neandertales.

Los avances en la reconstrucción del genoma antiguo y la biotecnología están revelando ahora los ricos secretos moleculares de los microorganismos paleolíticos. En un nuevo estudio publicado en Science, un equipo transdisciplinario de investigadores liderado por el Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de Infecciones, el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva y la Universidad de Harvard reconstruyeron los genomas bacterianos de bacterias previamente desconocidas que datan del Pleistoceno. Utilizando sus planos genéticos, construyeron una plataforma de biotecnología para revivir los productos naturales de las antiguas bacterias.

Los bioquímicos han logrado producir moléculas utilizando ADN antiguo, como los paleofuranos (mostrados aquí en forma de polvo). 

Los microbios son los mayores químicos de la Naturaleza, y entre sus creaciones se encuentran muchos de los antibióticos del mundo y otras drogas terapéuticas. La producción de estos complicados productos naturales químicos no es sencilla, y las bacterias confían en tipos especializados de genes que codifican maquinaria enzimática capaz de fabricar tales compuestos. En la actualidad, el estudio científico de los productos naturales microbianos está limitado en gran medida a las bacterias vivas, pero dado que las bacterias han habitado la Tierra durante más de 3 mil millones de años, existe una enorme diversidad de productos naturales del pasado con potencial terapéutico que aún nos son desconocidos, hasta ahora.

"En este estudio, hemos alcanzado un hito importante en la revelación de la vasta diversidad genética y química de nuestro pasado microbiano", dice Christina Warinner, co-autora principal y profesora asociada de Antropología en la Universidad de Harvard, líder del grupo en el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva y líder de grupo afiliado en el Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de Infecciones (Leibniz-HKI). "Nuestro objetivo es trazar un camino para el descubrimiento de productos naturales antiguos e informar sobre sus posibles futuras aplicaciones", agrega Pierre Stallforth, co-autor principal y profesor de Bioquímica Orgánica y Paleobioteconología en la Universidad Friedrich Schiller de Jena y jefe del Departamento de Paleobioteconología en el Leibniz-HKI.

El cálculo dental (tartar dental) conserva el ADN durante milenios, proporcionando información sin precedentes sobre la biodiversidad y las capacidades funcionales de los microbios antiguos. Crédito: Fundación Werner Siemens, Felix Wey

Cuando un organismo muere, su ADN se degrada y fragmenta rápidamente en una multitud de pequeñas piezas. Los científicos pueden identificar algunas de estas piezas de ADN al compararlas con bases de datos, pero durante años los arqueólogos microbianos han luchado con el hecho de que la mayoría del ADN antiguo no puede ser emparejado con nada conocido en la actualidad. Este problema ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo, pero los recientes avances en la informática están haciendo posible volver a ensamblar los fragmentos de ADN, como las piezas de un rompecabezas, para reconstruir genes y genomas desconocidos. El único problema es que no funciona muy bien con el ADN antiguo altamente degradado y extremadamente corto del Pleistoceno.

La evaluación y reconstrucción del ADN degradado es un gran desafío bioinformático.

"Tuvimos que repensar completamente nuestro enfoque", dice Alexander Hübner, investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva y co-autor principal del estudio. Tres años de pruebas y optimizaciones después, Hübner afirma que lograron un gran avance, logrando tramos de ADN reconstruido de más de 100.000 pares de bases de longitud y la recuperación de una amplia gama de genes y genomas antiguos. "Ahora podemos empezar con miles de millones de fragmentos de ADN antiguos desconocidos y situarlos sistemáticamente en genomas bacterianos de la Edad de Hielo que se habían perdido desde entonces".

El equipo se centró en la reconstrucción de genomas bacterianos encerrados en el cálculo dental, también conocido como tartar dental, de 12 neandertales que datan de aproximadamente 102.000-40.000 años atrás, 34 seres humanos arqueológicos que datan de unos 30.000-150 años atrás, y 18 seres humanos de hoy en día. El tartar dental es la única parte del cuerpo que se fosiliza rutinariamente durante toda la vida, convirtiendo la placa dental en un cementerio de bacterias mineralizadas. Los investigadores reconstruyeron numerosas especies bacterianas orales, así como otras especies más exóticas cuyos genomas no habían sido descritos antes.

Entrada a la cueva de El Mirón, España, donde se encontraron los restos humanos de la "Dama Roja" de 18.800 años. 

Among these was an unknown member of Chlorobium, whose highly damaged DNA showed the hallmarks of advanced age, and which was found in the dental calculus of seven Paleolithic humans and Neanderthals. All seven Chlorobium genomes were found to contain a biosynthetic gene cluster of unknown function. “The dental calculus of the 19,000-year-old Red Lady of El Mirón, Spain yielded a particularly well-preserved Chlorobium genome,” says Anan Ibrahim, postdoctoral researcher at the Leibniz Institute of Natural Product Research and Infection Biology and co-lead author of the study. “Having discovered these enigmatic ancient genes, we wanted to take them to the lab to find out what they make”.

The team used the tools of synthetic molecular biotechnology to allow living bacteria to produce the chemicals encoded by the ancient genes. This was the first time this approach had been successfully applied to ancient bacteria, and it resulted in the discovery of a new family of microbial natural products that the researchers named “paleofurans.” “This is the first step towards accessing the hidden chemical diversity of earth’s past microbes, and it adds an exciting new time dimension to natural product discovery,” says Martin Klapper, postdoctoral researcher at the Leibniz Institute of Natural Product Research and Infection Biology and co-lead author of the study.

Collaboration between the fields of paleogenomics and chemistry is ushering in a new field of study: paleobiotechnology. 

The success of the study is the direct outcome of an ambitious collaboration between archeologists, bioinformaticians, molecular biologists, and chemists to overcome technological and disciplinary barriers and break new scientific ground. “With funding from the Werner Siemens Foundation, we set out to build bridges between the humanities and natural sciences,” says Pierre Stallforth. “By working collaboratively, we were able to develop the technologies needed to recreate molecules produced a hundred thousand years ago ,” says Christina Warinner. Looking towards the future, the team hopes to use the technique to find new antibiotics.