Микробы — величайшие химики природы, и среди полученного из них известно большое количество антибиотиков и других лекарств. Производить эти вещества непросто, и для этого бактерии полагаются на специализированные гены, которые кодируют соответствующий механизм.
Изучение продуктов микробиологического происхождения в значительной степени ограничено живыми бактериями. Однако микробы заселили Землю более 3 млрд лет тому назад, так что существует потенциал из древности, который нужно лишь обнаружить.
В этом исследовании мы достигли важной вехи в раскрытии огромного генетического и химического разнообразия нашего микробного прошлого
— Кристина Уориннер, адъюнкт-профессор антропологии Гарвардского университета, соавтор.
Другой соавтор, Пьер Столлфорт, профессор биоорганической химии и палеобиотехнологий Йенского университета имени Фридриха Шиллера, добавил, что цель исследования — наметить путь к открытию древних натуральных продуктов и сообщить об их потенциальном применении в будущем.
Когда организм умирает, его ДНК быстро разлагается и распадается на множество крошечных кусочков. Но учёные могут идентифицировать некоторые из этих фрагментов ДНК, сопоставляя их с базами данных. Однако в течение многих лет микробиологи-археологи боролись с тем фактом, что самая древняя ДНК не может быть сопоставлена ни с чем известным сегодня. Эта проблема долгое время беспокоила учёных, но последние достижения в вычислительной технике позволяют собирать фрагменты ДНК вместе, как головоломку, чтобы реконструировать неизвестные гены и геномы. Единственная проблема в том, что это не очень хорошо работает на сильно деградировавшей (распавшейся) и чрезвычайно короткой ДНК из плейстоцена.
Соавтор исследования Александр Хюбнер, постдокторант Института эволюционной антропологии Макса Планка, сказал, что для успеха пришлось полностью пересмотреть подход. По словам Хюбнера, за три года тестирования и оптимизации они достигли прорыва, получив участки реконструированной ДНК длиной более 100 тыс. пар оснований и восстановив широкий спектр древних генов и геномов. В итоге теперь наука может упорядочить фрагменты древней ДНК в давно утраченные бактериальные геномы ледникового периода.
Группа учёных сосредоточилась на реконструкции бактериальных геномов, заключённых в зубном камне 12 неандертальцев. Использованным древним зубам от 40 тыс. лет до 102 тыс. лет. Данные пещерных людей сравнили с останками 34 человек, датируемых примерно в пределах от 150 лет до 30 тыс. лет, а также с геномами 18 современных людей. Зубной камень — единственная часть организма, которая складывается в течение жизни, превращая живой зубной налёт в кладбище минерализованных бактерий.
Исследователи реконструировали многочисленные виды бактерий из полости рта, а также другие, более экзотические виды, геномы которых ранее не были описаны. Среди последних — неизвестный представитель рода хлоробий, которого обнаружили в зубном камне семи людей палеолита и неандертальцев.
Учёные использовали инструменты синтетической молекулярной биотехнологии, чтобы позволить живым бактериям производить химические вещества, кодируемые древними генами. Впервые этот подход был успешно применён к древним бактериям, и это привело к открытию нового семейства натуральных продуктов микробиологического происхождения, которых исследователи назвали палеофуранами.
Успех учёных — прямой результат сотрудничества между археологами, биоинформатиками, молекулярными биологами и химиками. Соавтор Мартин Клэппер, научный сотрудник Института Лейбница по исследованию натуральных продуктов и биологии инфекций, пояснил, что они сделали первый шаг к познанию скрытого химического разнообразия микробов из прошлого Земли. Заглядывая в будущее, коллеги надеются использовать технологию для поиска новых антибиотиков.
