Gli scienziati "Rivivono" le Molecole dell'Età della Pietra dal DNA Antico

I microbi sono i più grandi chimici della natura, e studiando i genomi di batteri antichi, potrebbe essere possibile scoprire nuovi usi per molecole molto vecchie. 

In uno studio altamente interdisciplinare, gli scienziati stanno ricostruendo i prodotti naturali microbici fino a 100.000 anni fa utilizzando il tartaro dentale di umani e Neanderthal.

Scoperte nella ricostruzione del genoma antico e nella biotecnologia stanno rivelando ora i ricchi segreti molecolari dei microbi del Paleolitico. In un nuovo studio pubblicato su Science, un team interdisciplinare di ricercatori guidato dall'Istituto Leibniz per la ricerca di prodotti naturali e biologia delle infezioni, dall'Istituto Max Planck per l'antropologia evolutiva e dall'Università di Harvard ha ricostruito i genomi batterici di batteri precedentemente sconosciuti risalenti al Pleistocene. Utilizzando i loro piani genetici, hanno costruito una piattaforma di biotecnologia per far rivivere i prodotti naturali dei batteri antichi.

Utilizzando il DNA antico, i biochimici hanno avuto successo nella produzione di molecole - paleofurani (mostrati qui in forma di polvere). 

I microbi sono i più grandi chimici della natura, e tra le loro creazioni ci sono un gran numero di antibiotici e altri farmaci terapeutici del mondo. Produrre questi complicati prodotti naturali chimici non è semplice, e per farlo, i batteri si affidano a tipi specializzati di geni che codificano macchinari enzimatiche capaci di produrre tali sostanze chimiche. Attualmente, lo studio scientifico dei prodotti naturali microbici è in gran parte limitato ai batteri viventi, ma considerando che i batteri hanno abitato la terra per più di 3 miliardi di anni, c'è una enorme diversità di prodotti naturali passati con potenziale terapeutico che rimangono sconosciuti a noi - fino ad oggi.

"In questo studio, abbiamo raggiunto una pietra miliare nel rivelare la vasta diversità genetica e chimica del nostro passato microbico", afferma l'autore co-senior Christina Warinner, professore associato di antropologia presso l'Università di Harvard, gruppo leader presso l'Istituto Max Planck per l'antropologia evolutiva, e Affiliate Group Leader al Leibniz Institute of Natural Product Research and Infection Biology (Leibniz-HKI). "Il nostro obiettivo è tracciare una strada per la scoperta di prodotti naturali antichi e informare le loro potenziali future applicazioni", aggiunge l'autore co-senior Pierre Stallforth, professore di chimica bioorganica e paleobiologia presso l'Università Friedrich Schiller di Jena e capo del Dipartimento di Paleobiologia presso il Leibniz-HKI.

Il tartaro dentale (tartaro dentale) preserva il DNA per millenni, fornendo informazioni senza precedenti sulla biodiversità e le capacità funzionali dei microbi antichi. 

Quando un organismo muore, il suo DNA si degrada rapidamente e si frammenta in una moltitudine di piccoli pezzi. Gli scienziati possono identificare alcuni di questi frammenti di DNA abbinandoli ai database, ma per anni gli archeologi microbici hanno lottato con il fatto che la maggior parte del DNA antico non può essere abbinato a nulla di noto oggi. Questo problema ha a lungo tormentato gli scienziati, ma i recenti progressi nell'informatica stanno ora rendendo possibile rimontare i frammenti di DNA insieme - proprio come i pezzi di un puzzle - per ricostruire geni e genomi sconosciuti. Il problema è che non funziona molto bene sul DNA antico altamente degradato e estremamente breve del Pleistocene.

La valutazione e la ricostruzione del DNA degradato rappresentano una grande sfida bioinformatica.

"Abbiamo dovuto ripensare completamente il nostro approccio", dice Alexander Hübner, ricercatore postdottorato presso l'Istituto Max Planck per l'antropologia evolutiva e co-autore principale dello studio. Tre anni di test e ottimizzazione dopo, Hübner dice che hanno raggiunto una svolta, ottenendo tratti di DNA ricostruito di più di 100.000 paia di basi e il recupero di una vasta gamma di geni e genomi antichi. "Possiamo ora iniziare con miliardi di frammenti di DNA antico sconosciuti e ordinarli sistematicamente nei genomi batterici perduti dell'era glaciale".

Il team si è concentrato sulla ricostruzione dei genomi batterici racchiusi nel tartaro dentale, noto anche come tartaro dentale, da 12 Neanderthal risalenti a ca. 102.000-40.000 anni fa, 34 esseri umani archeologici risalenti a ca. 30.000-150 anni fa e 18 esseri umani attuali. Il tartaro dentale è l'unico parte del corpo che fossilizza routine durante la vita, trasformando la placca dentale vivente in un cimitero di batteri mineralizzati. I ricercatori hanno ricostruito numerose specie batteriche orali, così come altre specie più esotiche le cui sequenze del genoma non erano state descritte in precedenza.

Ingresso alla grotta El Mirón, Spagna, dove sono stati trovati i resti umani "Red Lady" di 18.800 anni fa.

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.