Jak wygląda proces pozyskiwania DNA sprzed tysięcy lat? Naukowcy zdradzają szczegóły
Analiza antycznego DNA pozwala naukowcom rozwiązywać zagadki związane z ewolucją oraz pochodzeniem gatunków, a także wyjaśniać historyczne epidemie. Proces ten jest bardzo skomplikowany, wymaga innowacyjnych narzędzi laboratoryjnych oraz maksymalnej sterylności. Przykłady badań pokazują, że zaawansowane technologie mogą ujawnić pokrewieństwo wymarłych zwierząt z żyjącymi dziś gatunkami oraz przyczyny śmierci dawnych społeczności.
Rok 1976. Robotnicy kopią tunel pod metro w Toronto i natrafiają na bardzo stare kości. Naukowcy ustalają, że to fragmenty czaszki i poroża sprzed 12 000 lat. Skamieniałości te okazują się jedynym znanym szczątkiem Torontoceros hypogaeus, wymarłego obecnie zwierzęcia kopytnego. Do tej pory jego pochodzenie było tajemnicą, jednak w październiku naukowcy odkryli, że był on spokrewniony z jeleniem wirginijskim - a wszystko to dzięki sekwencjonowaniu DNA. Jak naukowcy pozyskują DNA z kości, które mają tysiące lat?
Jak się dostać do DNA? To nie jest takie proste
Proces pozyskiwania DNA nie jest prosty - nie tylko przez skomplikowane działania potrzebne do samego wydobycia go ze skamieniałości, ale także przez to, że DNA jest wszędzie: nasze oraz bakterii i wirusów, które żyją na nas i dookoła nas. Te maleńkie cząsteczki unoszą się w powietrzu, później osiadają na ziemi, a cały świat jest nimi pokryty.
Jak wyjaśnił Aaron Shafer, który kierował badaniami nad sekwencjonowaniem Torontoceros, aby dobrać się do DNA, którego poszukujemy, należy stworzyć specjalne laboratorium, w którym dzięki naświetleniom promieniem ultrafioletowym zabijemy wszelkie potencjalne zanieczyszczenia. Naukowcy badający DNA muszą ubrać się w sterylne kombinezony i maski, a kiedy są gotowi, ponownie naświetlają skamieniałości promieniowaniem UV, żeby zabić wszelkie wirusy i bakterie przylegające do zewnętrznej warstwy - którą to zaraz po tym zdrapują, by zachować maksymalną sterylność. Dopiero wtedy można wiertłem dostać się do wnętrza kości, wytwarzając drobny proszek - i jeśli mają wystarczająco dużo szczęścia, w tym proszku znajdą się komórki zawierające fragmenty DNA.
Nie zawsze jednak taka sterylność jest potrzebna. Biolog Nicolas Rascovan badał zęby żołnierzy armii Napoleona, ale nie interesowali go sami żołnierze - chciał się dowiedzieć, co spowodowało ich śmierć podczas odwrotu z Rosji w 1812 roku. Niedawno opisał, jak sekwencjonowanie DNA zębów wykazało, że armia zmarła na dur brzuszny i gorączkę nawrotową, a nie tyfus jak wcześniej podejrzewano. Wwiercili się w zęby, aby uzyskać dostęp do miazgi zębowej, miękkiej tkanki ukrwionej, z której zespół wyekstrahował DNA bakterii doprowadzających żołnierzy do śmierci.
W proszku znajduje się wiele substancji, które niekoniecznie są DNA, np. białko. Pozbyto się ich dzięki użyciu odczynników chemicznych, a następnie roztwór zmieszano z proszkiem krzemowym o ładunku dodatnim - i wsadzono do wirówki.
Nić DNA ma wiele ładunków ujemnych. To oznacza, że jeśli masz coś, co ma ładunek dodatni, może działać jak magnes
Właśnie dzięki temu nicie DNA przyklejają się do krzemu, lecz aby można było je przeanalizować, fizyczne DNA musi zostać zdigitalizowane. Najpopularniejszym narzędziem, które do tego służy, jest urządzenie firmy Illumina, jak twierdzi badacz. Te maszyny posiadają już bibliotekę sztuczne wytworzonych cząsteczek DNA, zwanych adapterami, które są w stanie rozpoznać. Są one tak małe, że mierzy się je w angstremach, czyli miliardowych częściach metra. Miesza się je z oryginalną próbką - działają wtedy jak znaczniki, dzięki którym Illumina może odczytać nici DNA, z którymi się wiążą.
DNA składa się z miliardów par elementów budulcowych zwanych nukleotydami. Sekwencer działa jak aparat fotograficzny, robiąc zdjęcia próbek i wykorzystując adaptery do identyfikacji par zasad oraz kompilowania ich do pliku tekstowego. Od tej pory można jest przeglądać, sortować, analizować i porównywać wedle woli.
Czasami nie da się rozczytać DNA
Obecnie sekwencjonowanie DNA jest wykorzystywane na wielu płaszczyznach: od kryminalistyki po badania medyczne. W przypadku badania starszych próbek może być to szczególnie trudne, ponieważ nici DNA bywają uszkodzone bądź niekompletne. Na nasze szczęście DNA nie zmieniło się bardzo w ciągu milionów lat, więc można uzupełnić lub naprawić brakujące fragmenty.
Głównym problemem jest, ponownie, wszechobecność DNA. Sekwencer analizuje je w całości, niezależnie od tego, czy jest to DNA, którego naukowcy szukają, czy też nie. Dzięki digitalizacji każdy fragment DNA można porównać z całą bazą. To pomaga określić, które dane są rzeczywiście istotne, a także jak się mają do znanych nam wirusów, bakterii i zwierząt. Dla Rascovana oznaczało to porównanie nici z DNA bakterii chorobotwórczych, takich jak tyfus, aby ustalić, co było przyczyną śmierci żołnierzy Napoleona ponad 200 lat temu. A Shafer mógł określić miejsce Torontoceros w drzewie życia poprzez porównanie z innymi zwierzętami.
Badacze przyznają jednak, że prócz najnowocześniejszej technologii często ratuje ich ślepy traf i trochę szczęścia. Istnieje wiele powodów, dla których próbki mogą stać się nierozczytywalne: jeśli będą zakopane w zbyt ciepłych lub wilgotnych warunkach, poszukiwanie DNA może stać się bezużyteczne.
