科学家复活石器时代的分子

古代基因组重建和生物技术的突破正在揭示旧石器时代微生物丰富的分子秘密。在《科学》杂志上发表的一项新研究中，由莱布尼茨天然产物研究和感染生物学研究所、马克斯普朗克进化人类学研究所和哈佛大学领导的跨学科研究团队重建了更新世以前未知细菌的细菌基因组。利用他们的基因蓝图，他们建立了一个生物技术平台来恢复古代细菌的天然产物。

微生物是自然界最伟大的化学家，它们的创造物包括世界上大量的抗生素和其他治疗药物。生产这些复杂的化学天然产物并非易事，而要做到这一点，细菌依赖于特殊种类的基因，这些基因编码能够制造此类化学物质的酶促机制。目前，对微生物天然产物的科学研究主要局限于活细菌，但鉴于细菌已经在地球上生存了超过 30 亿年，过去具有治疗潜力的天然产物种类繁多，我们仍然不为人所知——直到现在。

“在这项研究中，我们在揭示我们微生物过去的巨大遗传和化学多样性方面达到了一个重要的里程碑，”共同资深作者、哈佛大学人类学副教授、马克斯普朗克进化研究所小组组长克里斯蒂娜·沃林纳 (Christina Warinner) 说。人类学 (MPI-EVA)，以及莱布尼茨天然产物研究和感染生物学研究所 (Leibniz-HKI) 的附属小组组长。“我们的目标是为发现古代天然产物开辟一条道路，并为它们未来的潜在应用提供信息，”共同资深作者、耶拿弗里德里希席勒大学生物有机化学和古生物技术教授兼古生物技术系主任 Pierre Stallforth 补充道在莱布尼茨-HKI。

十亿片拼图

当一个生物体死亡时，它的 DNA 会迅速降解并分裂成许多微小的碎片。科学家可以通过将这些 DNA 片段与数据库进行匹配来识别其中的一些片段，但多年来，微生物考古学家一直在努力解决这样一个事实，即大多数古代 DNA 无法与当今已知的任何东西相匹配。这个问题长期以来一直困扰着科学家，但最近计算技术的进步使得将 DNA 片段重新组合在一起成为可能——就像拼图一样——以重建未知的基因和基因组。唯一的问题是它不能很好地处理来自更新世的高度退化和极短的古代 DNA。“我们必须彻底重新考虑我们的方法，”MPI-EVA 的博士后研究员、该研究的共同主要作者 Alexander Hübner 说。经过三年的测试和优化，Hübner 说他们取得了突破，实现了长度超过 100,000 个碱基对的重建 DNA 片段，并恢复了广泛的古代基因和基因组。“我们现在可以从数十亿个未知的古代 DNA 片段开始，并系统地将它们整理成冰河时代失传已久的细菌基因组。”

探索旧石器时代的微生物

该团队专注于重建包裹在牙结石(也称为牙结石)中的细菌基因组，来自 12 名尼安德特人，约会时间为 ca。102,000–40,000 年前，34 个考古人类可追溯到 ca。30,000-150 年前，以及 18 个现代人类。牙垢是身体中唯一会在一生中经常变成化石的部分，它会将活的牙菌斑变成矿化细菌的墓地。研究人员重建了许多口腔细菌物种，以及其他基因组之前未被描述过的更奇特的物种。其中有一个未知的Chlorobium成员，其高度受损的 DNA 显示出高龄的特征，并在七个旧石器时代人类和尼安德特人的牙结石中发现。所有七种氯发现基因组包含一个功能未知的生物合成基因簇。“西班牙 El Mirón 的 19,000 岁红夫人的牙结石产生了一个保存特别完好的Chlorobium基因组，”Leibniz-HKI 的博士后研究员和该研究的共同主要作者 Anan Ibrahim 说。“发现了这些神秘的古老基因后，我们想将它们带到实验室以了解它们的作用”。

冰河时代的化学

该团队使用合成分子生物技术工具让活细菌产生由古老基因编码的化学物质。这是这种方法首次成功应用于古代细菌，并导致发现了一个新的微生物天然产物家族，研究人员将其命名为“古呋喃”。“这是获取地球过去微生物隐藏的化学多样性的第一步，它为天然产物的发现增加了一个令人兴奋的新时间维度，”Leibniz-HKI 博士后研究员、该研究的共同主要作者 Martin Klapper 说。 .

开拓新领域的新奇合作

这项研究的成功是考古学家、生物信息学家、分子生物学家和化学家之间雄心勃勃的合作的直接结果，旨在克服技术和学科障碍并开辟新的科学领域。“在维尔纳·西门子基金会的资助下，我们着手在人文科学和自然科学之间架起桥梁，”Pierre Stallforth 说。“通过合作，我们能够开发出重建十万年前产生的分子所需的技术，”Christina Warinner 说。展望未来，该团队希望利用该技术寻找新的抗生素。