Zamrożenie przyczyniło się do przekształcenia DNA mamuta wełnianego w trójwymiarowe 'chromoglass'

Beef jerky i kilka włochate mamuty mają co najmniej jedno wspólne: Suszenie zamienia ich DNA w super-twarde szkło.

To szklane DNA jest tak stabilne, że zachowało trójwymiarową strukturę chromosomów w jednym włochatym mamucie przez 52 000 lat, informują badacze 11 lipca w Cell. Odkrycie dało naukowcom niezwykły wgląd w księgę instrukcji genetycznych wymarłego zwierzęcia, czyli genom, ujawniając nawet geny, które były włączone i wyłączone przed śmiercią mamuta, mówi genetyk i neurobiolog Cynthia Pérez Estrada. Jeśli znajdzie się inne dobrze zachowane próbki, spojrzenia na aktywność genów mogą pomóc naukowcom zrozumieć, w jaki sposób funkcjonowały wymarłe organizmy, nie tylko jak wyglądały.

Szczegółowe badanie genomu mamuta stało się możliwe po tym, jak międzynarodowy zespół naukowców odkrył, jak dostosować technikę o nazwie Hi-C do badania starożytnego DNA.

"Znałam już Hi-C od jakiegoś czasu. Po prostu nigdy nie potrafiłam wymyślić sposobu, w jaki można by go zastosować do starożytnego DNA" - mówi Christina Warinner, archeolog biomolekularny z Uniwersytetu Harvarda, która nie była zaangażowana w badania.

To dlatego, że DNA rozpada się z biegiem czasu. Trudno było wyobrazić sobie, że małe fragmenty starożytnego DNA mogłyby zachować kształt chromosomów - mówi Warinner. A Hi-C, którego używa się do badania struktury 3-D metrów DNA zapakowanego w jądro komórkowe, zazwyczaj wymaga świeżych, nietkniętych próbek.

Nawet koledzy Pérez Estrady, którzy pracują nad strukturą 3-D DNA w Baylor College of Medicine w Houston, nie byli przekonani, czy takie techniki mogą działać na zdegradowane próbki. Pérez Estrada uważała, że to możliwe, więc przetestowała Hi-C na kościach indyka pozostałych po świątecznej kolacji, na tkance z wyschłego kręgu znalezionego w drodze do pracy i na kawałku skóry z jej torebki.

"Wszystkie te eksperymenty były fascynujące, ponieważ faktycznie pokazały, że struktura DNA jest dość odporna" - mówi. "I mimo gotowania, i pomimo słońca i środowiska, gdy mówimy o myszy, struktura DNA nadal była obecna".

Nie wiedziała jednak, czy struktura mogłaby przetrwać przez tysiące lat. Dlatego połączyła siły z Marcelą Sandoval-Velasco, wówczas na Uniwersytecie Kopenhaskim. Sandoval-Velasco pracowała nad starożytnym DNA od lat i interesowała się badaniem struktur 3-D. Przywiozła "torbę pełną cudów" — eksponaty muzealne mrówek, pszczół, celakontów, ryb, gadów, ptaków i zwierząt — do Houston do testów, mówi Pérez Estrada. A Pérez Estrada odwiedziła Kopenhagę, gdzie badacze badali starożytne czaszki niedźwiedzi polarnych i mumifikowanego wilka.

Eksperymenty często nie udawały się. Metoda Hi-C stosowana na świeże próbki nie zadziałałaby dla próbek starożytnych, więc musiała zostać wymyślona nowa wersja — którą nazwano PaleoHi-C. To jest badanie, mówi Sandoval-Velasco, która teraz jest na Narodowym Autonomicznym Uniwersytecie Meksykańskim w Cuernavaca. "Idzie to powoli. Jest to iteracyjne. Pełne porażek, a chodzi o to, by się nie poddawać." Pomaga także praca zespołowa. Ponad 50 naukowców z różnych obszarów specjalizacji połączyło siły do przeprowadzenia badania.

Po latach częściowego sukcesu i porażki zespół uzyskał dostęp do skóry z głowy włochatego mamuta, który zmarł w Syberii około 52 000 lat temu. Mamut został zamrożony i zachowany w wiecznym mrozie.

Szybkie wysuszenie zablokowało starożytne DNA w zwarty molekularny stan podobny do szkła, zwanego chromoglassem. Genetycy i zespół fizyków teoretycznych stwierdzili, że struktura chromoglassu zapobiegała oddalaniu się kawałków DNA od siebie.

W niekonwencjonalnych eksperymentach z domowej roboty jerky wołowego zespół odkrył, że takie szklane DNA może pozostać stabilne przez co najmniej rok w temperaturze pokojowej i wytrzymać różne obrazy, w tym mikrofalę, uderzenie samochodem, uderzenie piłką baseballową i ostrzał z broni palnej.

Szklane DNA mamuta zablokowało chromosomy w miejscu. Po raz pierwszy badacze mogli policzyć liczbę chromosomów mamuta — 28 par, tak jak u słoni, powiedział genetyk Erez Lieberman Aiden z Baylor College of Medicine podczas konferencji prasowej 2 lipca. Mamuty mają także taką samą podstawową strukturę chromosomów jak słonie.

Chromosomy spakowane w jądrze przypominają skrętkę nici po tym, jak kota się z nią pobawił. Poszarpany wygląd kryje się za starannie zaplanowaną strukturą wewnętrzną.

Geny, które są włączone, są przenoszone do jednej komory podkomórkowej jak tancerze na parkiecie, podczas gdy geny, które zostaną wyłączone, są zdegradowane do statusu kandydata na piękność ściany do drugiej komory. Badając komory, badacze odkryli 425 genów aktywnych u mamutów, ale nie u słoni i 395 genów włączonych u słoni, ale nie u mamutów.