Η πλάκα στα δόντια των Νεάντερταλ ίσως μας σώσει τη ζωή

Η οδοντική πλάκα που εντόπισαν οι ερευνητές στα δόντια Νεάντερταλ ίσως δώσει τη λύση στο σημερινό πρόβλημα των αντιβιοτικων και της εύρεσης πιο αποδοτικών φαρμάκων


Όταν μια σειρά από Νεάντερταλ έφυγαν από την ζωή πριν από δεκάδες χιλιάδες χρόνια χωρίς να έχουν και τόσο καλή στοματική υγιεινή δεν θα μπορούσαν να φανταστούν ότι θα έδιναν πιθανότατα στους σημερινούς ανθρώπους ένα σημαντικό όπλο.

Όπως αναφέρουν ερευνητές σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science στις 4 Μαΐου πιθανότατα θα έχουν μια μέρα την δυνατότητα να αναπτύξουν νέα αντιβιοτικά αξιοποιώντας παράξενα βακτήρια που ήταν παγιδευμένα στα δόντια των Νεάντερταλ που ήταν γεμάτα οδοντική πλάκα!

Η Κριστίνα Γουόρινερ, ο Αλεξάντερ Χιούμπνερ και ο Πιέρ Σατλφορφ- μέλη μιας ομάδας ανθρωπολόγων, αρχαιογενετιστών και βιοχημικών που μελετούν αρχαία μικρόβια και συγγράφουν την μελέτη- με ένα άρθρο τους στην ιστοσελίδα The Conversation μας εξηγούν την συναρπαστική τους ανακάλυψη.

«Οι μικροοργανισμοί και ειδικότερα τα βακτήρια είναι πολύ ικανοί «χημικοί» καθώς μπορούν να παράγουν ένα εντυπωσιακά μεγάλο αριθμό χημικών μειγμάτων, γνωστά ως «φυσικά προϊόντα». Αυτοί οι μεταβολίτες παρέχουν στα μικρόβια μεγάλα πλεονεκτήματα για την εξέλιξή τους καθώς τους επιτρέπουν να αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο ή με το υπόλοιπο περιβάλλον και τα βοηθούν να μάχονται εναντίον διάφορων απειλών. Εξαιτίας των διαφορετικών λειτουργιών που έχουν τα φυσικά βακτηριακά προϊόντα πολλά από αυτά έχουν χρησιμοποιηθεί ως βάσεις για αντιβιοτικά και φάρμακα κατά του καρκίνου.

Τα σημερινά είδη μικροβίων αποτελούν μόνο ένα απειροελάχιστο δείγμα της εκπληκτικά απεριόριστης ποικιλίας βακτηρίων που έχουν εμφανιστεί κάποια στιγμή στη γη στο πέρασμα των τελευταίων τριών δισεκατομμυρίων ετών. Εξετάζοντας αυτό το παρελθόν των μικροβίων μπορεί να μας παρέχει συναρπαστικές ευκαιρίες για να ανακτήσουμε κάποια στοιχεία αυτής της «χαμένης χημείας».

Είναι πρακτικά αδύνατο να μελετήσει κανείς με άμεσο τρόπο αυτούς τους μεταβολίτες από τα αρχαιολογικά δείγματα καθώς δεν έχουν διατηρηθεί με κατάλληλο τρόπο μέσα στο πέρασμα του χρόνου.  Ωστόσο, μπορούμε να ανοίξουμε το μονοπάτι προς αυτά και να προσπαθήσουμε να τα ανακατασκευάσουμε χρησιμοποιώντας τα γενετικά αποτυπώματα μικροβίων που έχουν πεθάνει πριν από καιρό.

Δημιουργώντας από την αρχή αρχαία γονιδιώματα

Ο μηχανισμός των κυττάρων που παράγει βακτηριακά φυσικά προϊόντα είναι κωδικοποιημένος στα γονίδια, τα οποία βρίσκονται συνήθως σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους, σχηματίζοντας αυτά που ονομάζεται συστάδες βιοσυνθετικών γονιδίων. Τέτοια γονίδια είναι δύσκολο να ανιχνευθούν και να αναδημιουργηθούν από αρχαία DNA επειδή το γενετικό υλικό διασπάται με την πάροδο του χρόνου και κατακερματίζεται σε χιλιάδες ή και εκατομμύρια κομμάτια. Το τελικό αποτέλεσμα είναι να έχουμε πολλά μικροσκοπικά θραύσματα DNA με μήκος μικρότερο από 50 νουκλεοτίδια, όλα αναμεμειγμένα μεταξύ τους σαν ένα μπερδεμένο παζλ.

Αναλύσαμε την αλληλουχία δισεκατομμυρίων τέτοιων αρχαίων θραυσμάτων DNA και στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε μια βελτιωμένη εκδοχή μιας βιοπληροφορικής διαδικασίας που ονομάζεται «συναρμολόγηση de novo» για να ταξινομήσουμε ψηφιακά στη σειρά τα αρχαία θραύσματα DNA σε τμήματα μήκους έως και 100.000 νουκλεοτιδίων βελτιώνοντας έτσι τη σειρά κατά 2.000 φορές. Αυτή η διαδικασία μας επέτρεψε να αναγνωρίσουμε όχι μόνο ποια γονίδια υπήρχαν, αλλά και τη σειρά τους στο γονιδίωμα και τους τρόπους με τους οποίους διαφέρουν από τα βακτηριακά γονίδια που είναι γνωστά σήμερα. Αυτές αποτελούν βασικές πληροφορίες για την αποκάλυψη της εξελικτικής ιστορίας και λειτουργίας τους.

Αυτή η μέθοδος μας επέτρεψε να ρίξουμε μια άνευ προηγουμένου ματιά στα γονιδιώματα των μικροβίων που ζούσαν έως και 100.000 χρόνια πριν, συμπεριλαμβανομένων ειδών που δεν είναι γνωστό ότι υπάρχουν σήμερα. Τα ευρήματά μας μάς οδηγούν πίσω έως και περισσότερα από 90.000 χρόνια από τα μικροβιακά γονιδιώματα που είχαμε καταφέρει να ανασκευάσουμε ως τώρα», αναφέρουν οι ερευνητές.

Η μελέτη στα δόντια των προγόνων μας

Οι επιστήμονες της μελέτης για να καταφέρουν να ανακατασκευάσουν το τόσο αρχαίο DNA χρησιμοποίησαν οδοντική πλάκα που έχει σκληρυνθεί σε πέτρα και βρέθηκε στα δόντια σκελετών προϊστορικών ανθρώπων.

Κάθε άτομο έχει το δικό του στοματικό μικροβίωμα - ένα σύνολο εκατοντάδων ειδών μικροσκοπικών οργανισμών που αποικίζουν το στόμα μας. Με εκατοντάδες διαφορετικά είδη μικροοργανισμών ανά πάσα στιγμή, το μικροβίωμα του στόματος είναι μεγάλο και ποικίλο και διαφέρει ανάλογα με το περιβάλλον ζωής ενός ατόμου.

«Η οδοντική πέτρα είναι το μόνο μέρος του σώματός σας που απολιθώνεται συνήθως όσο είστε ακόμα ζωντανοί», είπε η Γουόρινερ, βιομοριακή αρχαιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, μιλώντας στο Live Science. Έχει επίσης την υψηλότερη συγκέντρωση αρχαίου DNA από οποιοδήποτε μέρος ενός αρχαίου σκελετού.

Οι ερευνητές συνεχίζουν στο The Conversation: «Στα μικροβιακά γονιδιώματα που ανακατασκευάσαμε από το DNA που εξάγαμε από την αρχαία πέτρα των δοντιών, βρήκαμε ένα σύμπλεγμα γονιδίων που μοιράζονταν ένα μεγάλο ποσοστό Νεάντερταλ με τους ανατομικά σύγχρονους ανθρώπους που ζούσαν κατά τη Μέση και Ανώτερη Παλαιολιθική Περίοδο που διήρκεσε από 300.000 έως 12.000 χρόνια πριν. Αυτό το σύμπλεγμα είχε τα μοριακά χαρακτηριστικά ενός πολύ αρχαίου DNA και ανήκε στο βακτηριακό γένος Chlorobium, μια ομάδα πράσινων βακτηρίων του θείου, τα οποία είναι ικανά για φωτοσύνθεση».

Στη νέα τους μελέτη, η Γουόρινερ και οι συνεργάτες της ανέλυσαν την οδοντική πέτρα από 12 Νεάντερταλ, έναν από τους στενότερους εξαφανισμένους συγγενείς μας - 34 αρχαίους άνθρωπους και 18 σύγχρονους- που έζησαν από 100.000 χρόνια πριν έως σήμερα στην Ευρώπη και την Αφρική.

Χρησιμοποίησαν πάνω από 10 δισεκατομμύρια θραύσματα DNA και τα επανασυναρμολόγησαν σε 459 βακτηριακά γονιδιώματα, περίπου το 75% των οποίων χαρτογραφήθηκε σε γνωστά βακτήρια του στόματος.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εξέτασαν δύο είδη από ένα γένος βακτηρίων που ονομάζεται Chlorobium (χλωρόβιο) που βρέθηκαν σε επτά άτομα της εποχής του Ανώτερου Πλειστόκαινου (πριν από 126.000 έως 11.700 χρόνια). Τα άγνωστα είδη δεν ταιριάζουν ακριβώς με κανένα γνωστό είδος, αλλά είναι κοντά στο C. limicola, το οποίο βρίσκεται σε πηγές νερού που σχετίζονται με περιβάλλοντα σπηλαίων.

Αυτά τα είδη χλωροβίου απουσίαζαν σχεδόν εντελώς από την πέτρα σε ανθρώπους που έζησαν τα τελευταία 10.000 χρόνια.

Κάθε εποχή έχει τα δικά της βακτήρια

Μεταξύ του Άνω Πλειστόκαινου και του Ολόκαινου (πριν από 11.700 χρόνια μέχρι σήμερα), σε διάστημα περίπου 100.000 ετών, οι άνθρωποι έζησαν σε σπηλιές, εξημέρωσαν ζώα και εφηύραν τα πλαστικά αντικείμενα. Όλα αυτά έχουν τα δικά τους ξεχωριστά βακτήρια και οι αλλαγές στη συχνότητα του χλωροβίου φαίνεται να είναι παράλληλες με τις αλλαγές στον τρόπο ζωής των προγόνων μας.

Τα μικρόβια συνεχώς εξελίσσονται και προσαρμόζονται στο περιβάλλον που ζουν. Επειδή τα περιβάλλοντα στα οποία ζουν σήμερα διαφέρουν κατά πολύ από εκείνα του παρελθόντος, τα μικρόβια σήμερα παράγουν διαφορετικά φυσικά προϊόντα απ’ ό,τι οι αρχαίοι πρόγονοί τους.

Πριν από περίπου 25.000 με 10.000 χρόνια η γη βίωσε μια μεγάλη κλιματική αλλαγή καθώς πέρασε από την ψυχρότερη και πιο ασταθή Εποχή του Πλειστόκαινου στη θερμότερη και πιο εύκρατη Εποχή του Ολόκαινου. Ο ανθρώπινος τρόπος ζωής άλλαξε επίσης δραματικά κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης, καθώς οι άνθρωποι άρχισαν πλέον να ζουν έξω από τις σπηλιές και να πειραματίζονται όλο και περισσότερο με την παραγωγή τροφίμων. Αυτές οι αλλαγές τους έφεραν σε επαφή με διαφορετικά μικρόβια μέσω της γεωργίας, της κτηνοτροφίας και των νέων περιβαλλόντων τους. Η μελέτη των βακτηρίων της εποχής του Πλειστόκαινου μπορεί να δώσει πληροφορίες για βακτηριακά είδη και βιοσυνθετικά γονίδια που δεν σχετίζονται πλέον με τον άνθρωπο σήμερα, και ίσως ακόμη και με μικρόβια που έχουν εξαφανιστεί.

Το πρόβλημα των αντιβιοτικών

Ωστόσο, ενώ ο όγκος των δεδομένων που συλλέγονται από τους επιστήμονες σχετικά με τους βιολογικούς οργανισμούς έχει αυξηθεί εκθετικά τις τελευταίες δεκαετίες, ο αριθμός των νέων αντιβιοτικών έχει μείνει στάσιμος. Αυτό είναι ιδιαίτερα προβληματικό καθώς τα βακτήρια μπορούν να αποφύγουν τις υπάρχουσες αντιβιοτικές θεραπείες πιο γρήγορα από ό,τι οι ερευνητές μπορούν να αναπτύξουν νέες.

«Με την ανακατασκευή αυτών των αρχαίων ενώσεων, τα ευρήματά μας αποδεικνύουν ότι τα αρχαιολογικά δείγματα θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως νέες πηγές φυσικών προϊόντων», τονίζουν οι ερευνητές.

Με την ανακατασκευή μικροβιακών γονιδιωμάτων από αρχαιολογικά δείγματα, οι επιστήμονες μπορούν να αξιοποιήσουν την κρυμμένη ποικιλομορφία φυσικών προϊόντων που διαφορετικά θα είχαν χαθεί με την πάροδο του χρόνου, αυξάνοντας τον αριθμό των πιθανών πηγών από τις οποίες μπορούν να ανακαλύψουν νέα φάρμακα.

Η ομάδα ανέλυσε επίσης τις λεγόμενες βιοσυνθετικές συστάδες γονιδίων (BGC) ή συστάδες γονιδίων που απαιτούνται για τη δημιουργία μιας συγκεκριμένης ένωσης, για να προσδιορίσει ποια ένζυμα μπόρεσε να παράγει το είδος Chlorobium. Με την απομόνωση και την κατανόηση τέτοιων γονιδίων, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να αναπτύξουν νέα φάρμακα.

Όταν τα BGC του χλωροβίου μπήκαν σε ζωντανά βακτήρια, παρήγαγαν δύο νέα ένζυμα που μπορεί να έπαιξαν ρόλο στη φωτοσύνθεση. Οι νέες τεχνικές θα μπορούσαν μια μέρα να οδηγήσουν σε νέα αντιβιοτικά, είπε η Γουόρινερ.

«Τα βακτήρια είναι η πηγή σχεδόν όλων των αντιβιοτικών μας. Όμως δεν έχουμε ανακαλύψει νέες μεγάλες κατηγορίες αντιβιοτικών τα τελευταία δύο χρόνια», είπε η Γουόρινερ. «Αυτές οι μέθοδοι μας δίνουν την ευκαιρία να αναζητήσουμε από το παρελθόν πιθανά BGC που παράγουν αντιβιοτικά».

Ο Τζον Χοκς, ένας παλαιοανθρωπολόγος στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν που δεν συμμετείχε στη μελέτη, είπε στο Live Science ότι «Ένα από τα πιο εντυπωσιακά στοιχεία είναι ότι ορισμένα μικρόβια δεν ήταν γνωστά και δεν βρέθηκαν μέσα στα στόματα, αλλά προέρχονται από το νερό της λίμνης. Μας λένε ότι αυτές οι πηγές ήταν πιθανώς χαρακτηριστικό του τρόπου ζωής τους».

Οι ερευνητές τονίζουν ότι τώρα στόχος τους είναι να εντείνουν τη διαδικασία για να μπορέσουν να ανακαλύψουν πώς μπορούν να χρησιμοποιήσουν τον τεράστιο όγκο δεδομένων από τα αρχαία μικρόβια στην ανακάλυψη νέων θεραπευτικών παραγόντων.

Ωστόσο τονίζουν ότι ο βιολογικός και οικολογικός ρόλος αυτών των αρχαίων γονιδίων είναι δύσκολο να αποκρυπτογραφηθεί και δεδομένου ότι τα βακτήρια που αρχικά παρήγαγαν αυτές τις ενώσεις δεν υπάρχουν πλέον, δεν μπορούμε να τα καλλιεργήσουμε ή να τα χειριστούμε γενετικά. Γι’ αυτό, αναφέρουν, ότι θα χρειαστεί περαιτέρω μελέτη ώστε να κατανοήσουμε καλύτερα τη μικροβιακή εξέλιξη και να καταπολεμήσουμε την τρέχουσα κρίση αντιβιοτικών συμβάλλοντας στην ανακάλυψη νέων.