Ученые реконструировали микробиом ротовой полости нескольких десятков древних людей, обнаружив исчезнувшие гены.
Около 19 000 лет назад на севере Испании умерла женщина. Ее тело было погребено вместе с кусочками природного пигмента охры и помещено под глыбой известняка в пещере, известной как Эль Мирон. Когда в 2010 году были найдены ее кости, окрашенные охрой, археологи окрестили ее Красной дамой. Тщательное обращение с ее телом позволило ученым понять, как люди того времени хоронили своих умерших. И теперь, благодаря плохой гигиене полости рта того периода, ее зубы помогают пролить свет на исчезнувший мир бактерий и их химических творений. Из зубного камня - твердого налета, который скапливается на зубах, исследователи успешно восстановили и реконструировали генетический материал бактерий, живших во рту Красной леди и десятков других древних людей.
Реконструкция генов, о которой недавно сообщалось в журнале Science, была достаточно точной, чтобы воспроизвести ферменты, которые бактерии вырабатывали для переваривания питательных веществ. "Сам факт того, что они смогли восстановить геном из пазла, состоящего из миллионов кусочков, является большим достижением", - считает Гэри Торанзос, микробиолог-эколог из Университета Пуэрто-Рико, не принимавший участия в работе.
Изменения в питании и введение антибиотиков резко изменили микробиом современного человека, говорит биолог из Университета Тренто Никола Сегата, который также не принимал участия в работе. Секвенирование древних микроорганизмов и воссоздание их химического творчества "поможет нам определить, какие функции мог иметь наш микробиом в прошлом, которые мы, возможно, утратили", - считает он. Воскрешение этих "потерянных" генов может однажды помочь ученым разработать новые методы лечения заболеваний, добавляет Миккель Винтер Педерсен, молекулярный палеоэколог из Университета Копенгагена.
За последние несколько десятилетий секвенирование древней ДНК позволило выявить физические и физиологические особенности давно вымерших организмов, но исследователи также использовали этот метод для изучения генов, принадлежащих к микробиомам, которые когда-то населяли рот и кишечник давно умерших людей. Эта работа позволяет им понять, какие виды микробов могли сосуществовать с человеком до появления антибиотиков и переработанных продуктов питания. Но такое понимание было ограничено тем фактом, что исследователи могли использовать только современные микроорганизмы в качестве эталонов. "Мы были ограничены бактериями, известными нам сегодня", - объясняет генетик из Гарвардского университета Кристина Уориннер, соавтор нового исследования. "Мы игнорировали огромное количество ДНК неизвестных или, возможно, вымерших организмов".
Преодоление этого барьера представляло собой монументальную задачу. Реконструкция микробиома полости рта - смеси сотен различных видов бактерий и миллионов отдельных бактерий - из деградировавшей древней ДНК - это "все равно, что собрать вместе кусочки множества головоломок и попытаться решить их, перемешав кусочки, а некоторые из них и вовсе отсутствуют", - говорит Сегата. Действительно, команде Уориннер потребовалось почти 3 года, чтобы адаптировать методы секвенирования ДНК и компьютерные программы для работы с гораздо более короткими фрагментами ДНК, найденными в древних образцах. Наконец, используя зубной камень из 46 древних скелетов, включая дюжину неандертальцев и современных людей, умерших от 30 000 до 150 лет назад, Уориннер и коллеги идентифицировали ДНК десятков вымерших или ранее неизвестных бактерий полости рта.
Затем авторы снабдили современные бактерии Pseudomonas protegens парой древних генов для создания белков, которые производят миллиграммы молекулы, называемой фураном. Считается, что современные бактерии используют фураны для клеточной сигнализации. Новые результаты свидетельствуют о том, что древние бактерии тоже использовали фураны - что невозможно было бы предсказать, просто проанализировав их геномы. "Это лабораторное доказательство того, на что были способны древние гены", - утверждает Пьер Сталфорт из Института Лейбница по исследованию натуральных продуктов и инфекционной биологии. "Вы можете предсказать белки на основе ДНК, но не обязательно те молекулы, которые эти белки будут производить".
На первый взгляд, реконструированный ими микроорганизм кажется неуместным в микробиоме полости рта. Его современные родственники, идентифицированные как тип бактерий под названием хлоробиум, используют фотосинтез для выживания при небольшом количестве света и живут в анаэробных условиях, например, в застойной воде. Они не встречаются в современных ртах и, похоже, исчезли у древних людей около 10 000 лет назад. Этот хлоробиум мог попасть в рот древних людей, потому что они пили воду в пещерах или рядом с ними. Или, говорит Уориннер, он мог быть нормальной частью древнего микробиома ротовой полости некоторых людей, выживая при слабом свете, проникающем через щеки.
Специалисты говорят, что зубной камень - идеальное место для поиска этих древних микробов. Без регулярной чистки зубы задерживают остатки пищи и другие органические вещества в минеральной решетке, по сути, заключая их в камень. Это одновременно помогает сохранить любую ДНК внутри и защитить ее от контаминации при распаде тела. "Кальций из полости рта - это идеальный пример лучшего места, где можно найти незагрязненный образец", - поясняет Торанзос. "Там нет абсолютно никакой возможности проникновения чего-либо извне".
Хотя исследователям удалось заставить современные бактерии экспрессировать гены своих ранее не обнаруженных или вымерших родственников, это далеко не "Парк Юрского периода", отмечает Уориннер. "Мы не вернули [микробов] к жизни, но выявили ключевые гены для производства интересующих нас химических соединений", - подчеркивает она.
Восстановление древних микробных генов может пролить свет на взаимоотношения нашего вида с бактериями на протяжении эволюции человека. Люди коэволюционировали со своими микробными партнерами и паразитами на протяжении сотен тысяч лет. Соединения, вырабатываемые древними микроорганизмами, могли играть важную роль в пищеварении и иммунных реакциях.
"Бактерии не столь живописны, как мамонты или шерстистые носороги, - говорит она, - но они - химики природы, и они - ключ к пониманию прошлого".
