突破將使探索地球的生化歷史成為可能，希望發現新的分子

使用古老的牙垢，Christina Warner和她的團隊成功地重建了長達100萬年的微生物基因組。

圖片來源：維爾納西門子基金會，費利克斯·魏

可追溯到石器時代的分子在實驗室中復活。

這一突破只有在科學家實現另一個之后才成為可能 - 他們成功地重建了長達100萬年的古代微生物的基因組，哈佛大學人類學副教授，新研究的作者Christina Warinner說。“這比下一個近的重建基因組要早000萬年。

Warinner也是馬克斯普朗克進化人類學研究所的小組負責人，他與一個跨學科的研究團隊合作實現了這一壯舉。該小組的發現和基因組重建技術在周四發表在《科學》雜志上的一篇論文中進行了概述。

作為生物分子考古學專家，Warner率先研究了古代牙垢，這是人體在生命中化石的部分。牙垢是一種鈣化牙菌斑，含有與人類骨骼相同的礦物質，具有相似的考古發現生存潛力。“因為它在一個人的牙齒上，我們可以非常清楚地將其與那個人和他們的生活聯系起來，”Warner說。

盡管如此，刮掉古老的牙齒——“我們使用與牙醫辦公室相同的工具——你可以稱我們為非常遲到的牙科保健員，”Warner說——只會產生高度降解的遺傳物質片段。“一個典型的細菌基因組有3萬個堿基對長，但時間片段化了我們恢復到平均長度只有大約30到50個堿基對的古老DNA，”Warner解釋說。“換句話說，每個古老的細菌基因組就像一個60萬塊拼圖，每塊牙垢都包含著數百萬個基因組。

牙垢是一種鈣化牙菌斑，含有與人類骨骼相同的礦物質，具有相似的考古發現生存潛力，保存DNA數千年。

到目前為止，科學家們一直試圖通過將它們與參考基因組數據庫相匹配來了解這些基因碎片，這些數據庫總是取自當今物種。Warner指出，該技術已經成功使用，盡管局限性從一開始就很明顯。“你永遠無法以這種方式找到新物種或可能滅絕的物種，”她說，“因為你只能將其與已知的東西進行比較。

大約三年前，Warner和她的團隊與化學和合成生物學專家合作開展了一個“大膽創新計劃”項目——重建更新世時代細菌的基因組，并利用藍圖來恢復它們長期丟失的細菌代謝物，希望有能發現具有潛力的生化物質。

為此，該小組獲得了總部位于瑞士的Werner Siemens基金會的資助，旨在加強社會科學和自然科學領域的合作。Warinner說：“我們初的目標是在10年內開發這項技術，但我們已經達到了三年內重要的里程碑，”他補充說，大流行促使人們關注計算問題解決。

研究人員從一種稱為從頭組裝的現有遺傳技術開始，該技術允許從測序的DNA片段中以數字方式將基因組拼湊在一起。“這需要你有很多數據，因為你基本上重疊了這些片段，并試圖從這些片段中建立整個基因組，”Warinner說，他也是拉德克利夫研究所Sally Starling Seaver副教授的頭銜。“人們認為這對古代DNA來說是不可能的，因為我們的片段太小了，而且太受損了。

Warner和她的合著者系統地測試和優化了這項技術，直到他們在超短DNA片段上取得了突破。他們將從頭組裝應用于從12個尼安德特人（可追溯到40，000至102，000年前）和34個人類（150至30，000年前）的牙垢中收獲的DNA。

這使得研究人員能夠重建數百個不同的基因組，其中大部分被發現是口腔細菌。“除了通常的嫌疑人之外，我們還能夠重建一些以前不知道的基因組，”Warner說。“因此，這導致了新的口腔物種的發現。

重建的基因組對于在更新世時代的牙垢中發現的兩種細菌的質量特別高。這些基因組成為進一步研究的焦點，因為它們包含一個特殊的基因序列 - 稱為生物合成基因簇 - 編碼能夠產生大量化學物質的酶。“這就是細菌如何制造真正復雜和有用的化學物質，”Warner解釋說。“幾乎所有的劑和許多藥物終都源于這種細菌生物合成基因簇。

在重建基因序列后，研究小組合成遺傳物質并將其轉移到活細菌中，從而產生由古代基因編碼的生化物質。“這證實了我們的程序集是正確的，”Warner說，“因為如果有錯誤，它根本不起作用。

接下來，勝利的研究小組計劃利用他們的技術繼續探索更新世的化學多樣性，希望終發現產生新分子的物種 - 甚至可能是抗生素。“現在我們可以擴大這個過程，”Warner說。“突然之間，我們可以大規模擴展我們對生化過去的理解。