Les scientifiques "ravivent" les molécules de l'âge de pierre à partir d'ADN ancien.

Les microbes sont les plus grands chimistes de la nature, et en étudiant les génomes de bactéries anciennes, il pourrait être possible de découvrir de nouvelles utilisations pour de très vieilles molécules. 

Dans une étude hautement transdisciplinaire, des scientifiques reconstituent des produits naturels microbiens jusqu'à 100 000 ans en utilisant du tartre dentaire d'humains et de Néandertaliens.

Des percées dans la reconstruction génomique ancienne et la biotechnologie révèlent maintenant les riches secrets moléculaires des microorganismes paléolithiques. Dans une nouvelle étude publiée dans Science, une équipe transdisciplinaire de chercheurs dirigée par l'Institut Leibniz pour la recherche sur les produits naturels et la biologie des infections, l'Institut Max Planck pour l'anthropologie évolutionnaire et l'Université Harvard ont reconstruit des génomes bactériens de bactéries précédemment inconnues datant du Pléistocène. En utilisant leurs plans génétiques, ils ont construit une plate-forme de biotechnologie pour redonner vie aux produits naturels des bactéries anciennes.

En utilisant de l'ADN ancien, des biochimistes ont réussi à produire des molécules – les paléofuranes (montrées ici sous forme de poudre). 

Les microbes sont les plus grands chimistes de la nature, et parmi leurs créations se trouvent un grand nombre d'antibiotiques et d'autres médicaments thérapeutiques dans le monde. Produire ces produits naturels chimiques compliqués n'est pas simple, et pour le faire, les bactéries comptent sur des types spécialisés de gènes qui codent pour une machinerie enzymatique capable de fabriquer de tels produits chimiques. À l'heure actuelle, l'étude scientifique des produits naturels microbiens est largement limitée aux bactéries vivantes, mais étant donné que les bactéries ont habité la terre pendant plus de 3 milliards d'années, il existe une énorme diversité de produits naturels passés avec un potentiel thérapeutique inconnu pour nous - jusqu'à présent.

"Dans cette étude, nous avons atteint une étape importante dans la révélation de la vaste diversité génétique et chimique de notre passé microbien", déclare Christina Warinner, co-auteur principal, professeur associé d'anthropologie à l'Université Harvard, chef de groupe à l'Institut Max Planck pour l'anthropologie évolutionnaire et chef de groupe affilié à l'Institut Leibniz pour la recherche sur les produits naturels et la biologie des infections (Leibniz-HKI). "Notre objectif est de tracer un chemin pour la découverte de produits naturels anciens et d'informer de leurs futures applications potentielles", ajoute Pierre Stallforth, co-auteur principal, professeur de chimie bioorganique et de paléobiotechnologie à l'Université Friedrich Schiller Jena et chef du département de paléobiotechnologie à Leibniz-HKI.

Le tartre dentaire préserve l'ADN pendant des millénaires, fournissant des informations sans précédent sur la biodiversité et les capacités fonctionnelles des micro-organismes anciens. Crédit : Fondation Werner Siemens, Felix Wey

Lorsqu'un organisme meurt, son ADN se dégrade rapidement et se fragmente en une multitude de petites pièces. Les scientifiques peuvent identifier certains de ces fragments d'ADN en les faisant correspondre à des bases de données, mais pendant des années, les archéologues microbiens ont lutté contre le fait que la plupart de l'ADN ancien ne peut être associé à quoi que ce soit de connu aujourd'hui. Ce problème a longtemps tourmenté les scientifiques, mais les avancées récentes en informatique rendent maintenant possible de refaire correspondre les fragments d'ADN ensemble - tout comme les pièces d'un puzzle - afin de reconstruire des gènes et des génomes inconnus. Le seul problème est que cela ne fonctionne pas très bien sur l'ADN ancien extrêmement court et hautement dégradé du Pléistocène.

L'évaluation et la reconstruction de l'ADN dégradé sont un énorme défi bioinformatique. 

"Nous avons dû repenser complètement notre approche", déclare Alexander Hübner, chercheur postdoctoral à l'Institut Max Planck pour l'anthropologie évolutionnaire et co-auteur principal de l'étude. Trois années de tests et d'optimisation plus tard, Hübner déclare qu'ils ont atteint une percée, réalisant des étirements d'ADN reconstruits de plus de 100 000 paires de bases en longueur et la récupération d'une large gamme de gènes et de génomes anciens. "Nous pouvons maintenant commencer avec des milliards de fragments d'ADN anciens inconnus et les ordonner systématiquement dans des génomes bactériens perdus depuis l'âge de glace."

L'équipe s'est concentrée sur la reconstruction de génomes bactériens enfermés dans du tartre dentaire, également appelé tartre dentaire, de 12 Néandertaliens datant d'environ 102 000 à 40 000 ans, 34 humains archéologiques datant d'environ 30 000 à 150 ans, et 18 humains actuels. Le tartre dentaire est la seule partie du corps qui se fossilise régulièrement pendant la vie, transformant la plaque dentaire vivante en un cimetière de bactéries minéralisées. Les chercheurs ont reconstruit de nombreuses espèces bactériennes buccales, ainsi que d'autres espèces plus exotiques dont les génomes n'avaient pas été décrits auparavant.

Entrée de la grotte El Mirón, en Espagne, où ont été trouvés les restes humains de la "Dame rouge" datant de 18 800 ans. 

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.