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。在发表在《科学》杂志上的一项新研究中，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小组重建了可追溯到更新世的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，以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，在他们的创造中，有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不简单，要做到这一点，细菌依赖于编码能够制造此类化学物质的酶机械的特殊基因。

目前，对微生物天然产物的科学研究主要限于活细菌，但鉴于细菌已经在地球上居住了3多亿年，过去具有治疗潜力的天然产物种类繁多，直到现在我们仍然未知。

“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Christina Warinner说，他是哈佛大学人类学副教授，马克斯普朗克进化人类学研究所(MPI-EVA)的小组负责人，莱布尼茨天然产物研究和感染生物学研究所(Leibniz-HKI)的附属小组负责人。

“我们的目标是为发现古代天然产物开辟一条道路，并告知其潜在的未来应用，”共同资深作者Pierre Stallforth补充道，他是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，也是莱布尼茨-HKI古生物技术系主任。

十亿块拼图

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。科学家们可以通过将它们与数据库匹配来识别其中一些DNA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，即大多数古老的DNA无法与今天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，但最近在计算方面的进展使得将DNA片段重新组合在一起成为可能 - 就像拼图游戏的碎片一样 - 以重建未知的基因和基因组。唯一的问题是，它对更新世高度降解和极短的古代DNA效果不佳。

“我们必须完全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，实现了超过100万个碱基对长度的重建DNA，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，并将它们系统地排序到冰河时代长期消失的细菌基因组中。

探索微生物旧石器时代

该团队专注于重建包裹在牙结石中的细菌基因组，也称为牙垢，来自12个尼安德特人，可追溯到大约102，000-40，000年前，34个考古人类可追溯到大约30，000-150年前，以及18个现代人类。牙垢是身体中唯一在一生中经常化石的部分，将活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，以及其他以前从未描述过基因组的更奇特的物种。其中包括一个未知的氯钰成员，其高度受损的DNA显示出高龄的特征，并且在七个旧石器时代人类和尼安德特人的牙结石中发现。所有七个氯钒基因组都被发现包含一个功能未知的生物合成基因簇。

“西班牙El Mirón的19，000年历史的Red Lady的牙结石产生了特别保存完好的氯胆基因组，”Leibniz-HKI的博士后研究员，该研究的共同主要作者Anan Ibrahim说。“在发现了这些神秘的古老基因后，我们想把它们带到实验室，看看它们制造了什么。

冰河时代化学

该团队使用合成分子生物技术的工具，让活细菌产生由古代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，”莱布尼茨 - HKI博士后研究员，该研究的共同主要作者Martin Klapper说。

新合作探索新领域

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，以克服技术和学科障碍并开辟新的科学基础。

“我们开始在人文科学和自然科学之间架起桥梁，”皮埃尔·斯托福斯说。“通过合作，我们能够开发重建十万年前生产的分子所需的技术，”Christina Warinner说。展望未来，该团队希望利用该技术找到新的抗生素。