Od mamuta do świętego

Ostatnie dwa lata otworzyły nowy rozdział w historii genetyki. Nauczyliśmy się w końcu na masową skalę odczytywać genomy zwierząt sprzed tysięcy lat. Radzimy sobie już nie z pojedynczymi, losowymi sekwencjami, ale ze sporymi kawałkami. Odżyły marzenia o przywracaniu do życia wymarłych gatunków.

Najpierw pojawiło się doniesienie o odcyfrowaniu pierwszych genów niedźwiedzia jaskiniowego pochodzącego sprzed 40 tysięcy lat. Ubiegły rok zaczął się od wiadomości o sukcesie w pracach nad DNA mamuta (który w syberyjskiej zmarzlinie czekał na genetyków przez 27 tysiącleci). Ale prawdziwym hitem 2006 roku było odcyfrowanie ponad miliona „liter” tworzących geny neandertalczyka.

Zniknął on powierzchni ziemi około 20–30 tysięcy lat temu. Ale wcześniej żył ramię w ramię z Homo sapiens. Niektórzy podejrzewają wręcz, że oba gatunki były ze sobą naprawdę blisko (wiecie, co mam na myśli). Prawda czy podła potwarz? Żeby dowiedzieć się o tych intymnych sekretach, a także o kilku innych (jak zdolność do mowy oraz odporność na choroby), trzeba neandertalczykowi pogrzebać w genach.

Profesor Svante Pääbo z Instytutu Maksa Plancka już w 1997 roku opublikował wyniki analizy DNA pobranego z mitochondriów („komórkowych elektrowni”) neandertalczyka. Ale ogromna większość informacji o organizmie ukryta jest w DNA w jądrze komórkowym. I do tych właśnie danych udało się wreszcie dotrzeć naukowcom. W listopadzie 2006 roku w dwóch najbardziej prestiżowych tygodnikach naukowych ukazały się pierwsze publikacje o genach neandertalczyka przygotowane przez zespoły z Niemiec i USA.

Materiał do obu badań pochodził od wyjątkowo dobrze zachowanego szkieletu sprzed 38 tysięcy lat znalezionego w chorwackiej jaskini Vindija. Na razie naukowcom udało się poznać tylko drobny fragment całego genomu, ale deklarują, że uporają się z poznaniem go w całości w ciągu dwóch lat. Jednak już pierwsze wyniki są intrygujące.

Porównanie ich z danymi o DNA człowieka wskazuje, że ścieżki ewolucyjne ludzi i neandertalczyków rozdzieliły się jakieś pół miliona lat temu. To stosunkowo niedawno, więc różnice między oboma gatunkami nie są zbyt duże. Szacuje się, że ledwie pół procent genomu neandertalczyka jest inne niż u człowieka. Czy w takim razie zdarzały się związki międzygatunkowe? Amerykanie twierdzą, że to mało prawdopodobne, ale ich koledzy z Niemiec są innego zdania. - Mogło dochodzić do przepływu genów, ale tylko w jednym kierunku – od człowieka współczesnego do Homo neanderthalensis.

To nie przypadek, że tak spektakularne osiągnięcia jak zbadanie DNA mamuta, niedźwiedzia jaskiniowego i neandertalczyka zbiegły się w czasie. Dopiero niedawno pojawiły się nowe metody badania prehistorycznego DNA. Gdyby chcieć posługiwać się dotychczasowymi technikami, to do zbadania genomu neandertalczyka potrzeba by wielu kilogramów jego kości. Znacie jakiegoś kustosza muzeum historii naturalnej, który zgodziłby się złożyć taką ofiarę? Tymczasem dzięki nowym metodom namnażania resztek genów, które przetrwały do naszych czasów, i ich analizie za pomocą światła lasera udaje się badać znacznie mniejsze próbki. Ale i tak badacze starożytnego DNA (czyli paleogenetycy) nie mają łatwego życia. Krowa zamiast tura

Dopóki komórka żyje, może realizować jedno ze swych najważniejszych zadań – niekończące się naprawianie uszkodzeń w DNA. W momencie śmierci następuje nieuchronny proces rozpadu materiału genetycznego. Nici DNA pękają, reagują ze sobą, a w cząsteczkach tworzących litery kodu genetycznego zachodzą zmiany chemiczne. Im dłużej to trwa, tym większa sieczka powstaje z genów.

Obecnie zakłada się, że można próbować odczytać DNA ze szczątków nie starszych niż sto tysięcy do miliona lat – tłumaczy doktor Ana Stanković z Instytutu Genetyki i Biotechnologii Uniwersytetu Warszawskiego. A i to w sytuacji, gdy przetrwały do naszych czasów w korzystnych warunkach, na przykład w wiecznej zmarzlinie. Inne czynniki hamujące rozkład DNA to między innymi wysokie zasolenie i brak dostępu tlenu.To dlatego genetyków tak interesują kości wyciągane z torfowisk czy resztki bakterii zamknięte w kryształach soli. Niedawno wydobywaliśmy DNA z doskonale zachowanych szczątków tura – wspomina doktor Stanković. Odkryto je podczas prac melioracyjnych w pozbawionych tlenu warstwach mułu z Wisły.

Jednak rozkład DNA i jego szczątkowe ilości w próbkach wcale nie są największym problemem. Współczesne „laboratoryjne zabawki” potrafią namnożyć nawet śladowe ilości DNA w próbkach. To bezcenna zaleta i przekleństwo w jednym. Czemu? Bo maszyna z równą łatwością powiela geny wymarłych zwierząt czy roślin jak i wszystkich biologicznych zanieczyszczeń. A szczątki dawnych organizmów są przecież źródłem pokarmu i schronienia dla bakterii oraz grzybów. I to prawdopodobnie ich geny najczęściej pojawiają się jako fałszywe wyniki odczytywania pradawnej informacji genetycznej. Pracę utrudniają też zabłąkane geny przenoszone na ubraniach naukowców czy sprzęcie laboratoryjnym. Wystarczy zawirowanie powietrza przy otwieraniu probówki...

Do tego dochodzi jeszcze zanieczyszczenie genami ludzi. Na przykład DNA archeologa, który gołą ręką dotknął wykopanej właśnie kości._ Nie jest to wcale sytuacja rzadka_ – mówi doktor Stanković. Niedawno badaliśmy odkryte w Peru szczątki ludzkie pochodzące z czasów Inków. Chcieliśmy sprawdzić, z kim byli spokrewnieni dawni inkascy władcy. Jedna z próbek sugerowała, że ich geny przypominały najbardziej... mieszkańców dzisiejszych Włoch. Po krótkim czasie doszliśmy do tego, że z Włoch pochodzili nie tyle Inkowie, ile archeolodzy, którzy badali ich groby. Podobnym zaskoczeniem skończyła się dla mnie analiza DNA pobranego ze wspomnianej kości tura. Wiedzieliśmy, że to szkielet tego zwierzęcia, ale z analiz wynikało uparcie, że to krowa, na dodatek jakaś jej alpejska odmiana. Co się dzieje? – myślałam. Rozwiązaniem tej zagadki okazał się sposób konserwacji starych kości przez paleontologów. Oni je po prostu zabezpieczają specjalnym lakierem zawierającym mączkę kostną. W tym przypadku – bydlęcą.

Badania w laboratorium paleogenetycznym przypominają więc nieco działalność w tajnej pracowni zajmującej się bronią biologiczną: śluzy powietrzne, sterylne ubrania, maseczki, rękawiczki, superjałowy sprzęt i odczynniki. Mało tego, naukowcy w takim laboratorium muszą mieć bazę informacji o własnym DNA, by w razie potrzeby szybko wykluczyć ewentualne zanieczyszczenia próbek genami pracowników.

DNA świętych i świeckich

O ile dzięki „Parkowi jurajskiemu” problem genetyki wymarłych gatunków stał się dość popularny, o tyle o innym zastosowaniu „genetyki historycznej” mało kto dotąd słyszał. Spece od odczytywania pradawnego DNA wzięli bowiem na warsztat... relikwie świętych. W ramce obok piszemy o badaniach szczątków apostoła Łukasza, ale to niejedyny projekt genetyczno-historyczno-religijny. W Szwecji trwają prace nad DNA świętej Brygidy, a w Instytucie Genetyki i Biotechnologii UW badano niedawno odkryte w Łomży pozostałości, które mogły tworzyć doczesną powłokę świętego Brunona z Kwerfurtu, niemieckiego misjonarza sprzed tysiąca lat. O genetycznym rozczarowaniu mogą mówić wyznawcy kultu Joanny d’Arc. Po zbadaniu jej relikwii – nadpalonych fragmentów żebra – genetyk Philippe Charlier nie miał dobrych wieści: To fałszywka.

Ale paleogenetycy nie koncentrują się wyłącznie na świętych. Nie przepuszczą także prehistorycznym świeckim. Ot, na przykład Ötziemu, człowiekowi sprzed 5300 lat, którego szczątki odkryto w 1991 roku w alpejskim lodowcu i przebadano pod każdym względem – od wieku po dietę. Szukający informacji o pokrewieństwie Oetziego ze współczesnymi grupami ludzi badacze DNA wyciągnęli na światło dzienne jego wstydliwą przypadłość. Analiza genów w jego mitochondriach sugeruje, że człowiek z lodowca był bezpłodny.

Paleogenetyka i galaktyka

Po tym małym przeglądzie paleogenetyki czas na znienawidzone przez naukowców pytanie: do czego mogą się przydać badania nad prehistorycznym DNA? Czy mają jakiekolwiek znaczenie praktyczne? Otóż są namacalne, konkretne korzyści. Z kości osób zmarłych podczas średniowiecznej zarazy można na przykład izolować geny bakterii wywołujących dżumę i gruźlicę. I porównać mikroby z różnych epok, poznając ich strategie zakażania i zdolności do walki z antybiotykami. Inny medyczny przykład: kilka dni temu genetycy z University College w Londynie ogłosili wyniki analiz neolitycznych szkieletów pochodzących sprzed niemal ośmiu tysięcy lat. Badacze przyglądający się genom tych pierwszych rolników odkryli, że gdy tylko przestawali oni być dziećmi, niemal całkowicie tracili zdolność do trawienia mleka. Tego typu porównania różnych wersji enzymów trawiennych mogą być podpowiedzią w leczeniu chorób metabolicznych trapiących współczesnych ludzi.

A teraz coś z naszego podwórka. Polscy rybacy chcieliby hodować w kraju jesiotry (trwają już do tego pierwsze przymiarki). Kiedyś ryby te żyły w Polsce, ale wymarły. Oczywiście, można hodować gatunki, które u nas nigdy nie występowały, ale naukowcy z Instytutu Genetyki i Biotechnologii UW mieli bardziej ambitny cel. Grzebali w kopalnych szczątkach jesiotrów, próbując ustalić po ich genach, jakie dokładnie odmiany zasiedlały polskie wody. A później znaleźli wśród żyjących w Kanadzie jesiotrów takie ryby, które są najbardziej do nich podobne. I te właśnie zostaną wykorzystane w hodowli.

Jest więc szansa na odtworzenie w Polsce populacji wymarłych ryb. A co z mamutami hasającymi po tundrze? Wrócą czy nie? Jeszcze tego nie wiemy, ale spośród wszystkich wymarłych zwierząt mają na to chyba największą szansę. Bo poznać wszystkie geny to jedno, ale zmontować z nich działający organizm to zupełnie inna bajka. W przypadku doskonale zachowanych w zmarzlinie mamutów powinno się udać odczytać ich DNA.

Potem konieczny byłby długotrwały i piekielnie drogi proces „sklejania” kompletnego genomu. Ale to nadal nie wszystko. Geny muszą działać w jakiejś komórce, a tej jeszcze długo nie będziemy potrafili zbudować. Jednak akurat mamuta można by sklonować, używając komórki jajowej słonia (to właśnie dzięki dotychczasowym badaniom DNA mamutów wiemy, że były z nimi naprawdę blisko spokrewnione). Do opróżnionego jajeczka słonia należałoby wprowadzić wszystkie geny mamuta, pobudzić komórkę do podziałów i wszczepić słonicy nosicielce. Pozostaje tylko znaleźć bogatego patriotę, który zafundowałby matce Rosji powrót włochatego mieszkańca Syberii.

Piotr Kossobudzki