Vriesdrogen veranderde het DNA van een wollige mammoet in 3-D 'chromoglas'

Beef jerky en een paar wollige mammoeten hebben minstens één ding gemeen: Het drogen verandert hun DNA in supersterk glas.

Dit glazen DNA is zo stabiel dat het de driedimensionale structuur van chromosomen in één wollige mammoet heeft behouden voor 52.000 jaar, zo melden onderzoekers op 11 juli in Cell. De vondst gaf onderzoekers een ongekend inzicht in het genetische instructieboek van het uitgestorven dier, of genoom, waarbij zelfs genen werden onthuld die aan en uit stonden voordat de mammoet stierf, zegt genoomwetenschapper en neuroloog Cynthia Pérez Estrada. Als er andere goed bewaarde monsters kunnen worden gevonden, kunnen glimpen van genactiviteit wetenschappers helpen begrijpen hoe uitgestorven organismen functioneerden, niet alleen hoe ze eruit zagen.

De gedetailleerde survey van het mammoetgenoom werd mogelijk gemaakt nadat een internationaal team van wetenschappers ontdekte hoe ze een techniek genaamd Hi-C konden aanpassen om oud DNA te onderzoeken (SN: 8/24/15).

“Ik heb al een tijdje over Hi-C geweten. Ik kon gewoon niet bedenken hoe je het zou toepassen op oud DNA," zegt Christina Warinner, een biomoleculair archeoloog aan de Universiteit van Harvard die niet betrokken was bij de studie.

Dat komt omdat DNA na verloop van tijd afbrokkelt. Het was moeilijk voor te stellen dat de kleine stukjes oud DNA de vorm van chromosomen konden behouden, zegt Warinner. En Hi-C, dat wordt gebruikt om naar de 3D-structuur van meters DNA te kijken die in de kern van een cel zijn verpakt, vereist meestal verse, intacte monsters (SN: 6/10/21).

Zelfs de collega's van Pérez Estrada, die werken aan de 3D-structuur van DNA aan het Baylor College of Medicine in Houston, waren er niet van overtuigd dat dergelijke technieken zouden werken op afgebroken monsters. Pérez Estrada dacht van wel, dus testte ze Hi-C op kalkoenbotten die overbleven na het Thanksgiving-diner, op weefsel van een uitgedroogde doodgereden muis die ze onderweg naar het werk vond, en op een stuk leer van haar tas.

“Al die experimenten waren fascinerend, omdat ze eigenlijk lieten zien dat de structuur van het DNA behoorlijk veerkrachtig is,” zegt ze. “En ondanks het koken, en ondanks de zon en de omgeving wat betreft de muis, bleef de structuur van het DNA toch behouden.”

Maar ze wist niet of de structuur stand kon houden voor duizenden jaren. Dus werkte ze samen met Marcela Sandoval-Velasco, destijds aan de Universiteit van Kopenhagen. Sandoval-Velasco werkte al jaren aan oud DNA en was geïnteresseerd in het onderzoeken van 3D-structuren. Ze bracht "een tas vol wonderen" mee - museumvoorbeelden van mieren, bijen, kwastvinnen, vissen, reptielen, vogels en dieren - naar Houston om te testen, zegt Perez Estrada. En Pérez Estrada bezocht Kopenhagen, waar de onderzoekers oude ijsberenschedels en een gemummificeerde wolf onderzochten.

De experimenten faalden vaak. De Hi-C-methode die werd gebruikt op verse monsters werkte niet voor oude monsters, dus moest er een nieuwe versie - die ze PaleoHi-C noemden - worden uitgevonden. Dat is onderzoek, zegt Sandoval-Velasco, die nu aan de Nationale Autonome Universiteit van Mexico in Cuernavaca werkt. “Het gaat langzaam. Het is iteratief. Het zit vol mislukkingen, en het draait om niet opgeven.” Samenwerking helpt ook, zegt ze. Meer dan 50 wetenschappers met verschillende expertises kwamen samen voor de studie.

Na jaren van gedeeltelijk succes en mislukking kreeg het team toegang tot huid van het hoofd van een wollige mammoet die ongeveer 52.000 jaar geleden stierf in Siberië. De mammoet was gevriesdroogd en bewaard in de permafrost.

Snel drogen had het oude DNA in een strakke moleculaire staat vergrendeld, vergelijkbaar met glas, genaamd chromoglas. De genetici en een team van theoretische natuurkundigen concludeerden dat de chromoglass-structuur voorkwam dat de stukjes DNA van elkaar afdreven.

In onconventionele experimenten met in het laboratorium gemaakt beef jerky ontdekte het team dat zulk glazen DNA minstens een jaar stabiel kan blijven bij kamertemperatuur en bestand is tegen gevarieerd misbruik, waaronder in de magnetron, overreden worden door een auto, verpletterd worden met een honkbal en door een geweer worden beschoten.

Het glazen DNA van de mammoet vergrendelde zijn chromosomen op hun plaats. Voor het eerst konden de onderzoekers het aantal chromosomen van een mammoet tellen - 28 paar, net als olifanten, zei Erez Lieberman Aiden, een geneticus aan het Baylor College of Medicine, tijdens een persconferentie op 2 juli. Mammoeten hebben ook dezelfde basale chromosoomstructuur als olifanten.

Chromosomen die in de kern gepropt zitten lijken op een kluwen garen nadat een kat ermee heeft gespeeld. Het rommelige uiterlijk verhult de zorgvuldig georkestreerde structuur binnenin.

Genen die aan staan worden naar een subcellulair compartiment verplaatst als dansers die de dansvloer betreden, terwijl genen die uitgeschakeld zullen worden in een ander compartiment aan muurbloem-status worden toegekend. Door de compartimenten te onderzoeken, vonden de onderzoekers 425 actieve genen bij mammoeten maar niet bij olifanten en 395 genen die actief waren bij olifanten maar niet bij mammoeten.