Как ученые изучают ДНК древних ископаемых?
В 1976 году рабочие, раскапывавшие тоннель для метро Торонто, наткнулись на ископаемые кости, датированные 12 000 годами назад. Они принадлежали Torontoceros hypogaeus — ныне вымершему парнокопытному животному. И лишь почти 50 лет спустя, прошлым октябрем, ученые обнаружили, что у этого вымершего вида есть живой родственник. Но как вообще исследователи изымают ДНК из тысячелетних костей? Портал popsci.com разобрался в вопросе.
ДНК окружает человека повсюду. С каждым чихом и кашлем мы оставляем микроскопические частички самих себя в воздухе, не говоря уже о мириадах невидимых бактерий и вирусов, у которых тоже есть собственная ДНК.
Из-за того, что окружающий воздух загрязнен бесчисленным множеством других молекул, лаборатории для изучения ДНК обязательно оснащаются ультрафиолетовыми лампами, которые могут убить любые контаминанты. Исследователи, облаченные в стерильные защитные костюмы и респираторы, дополнительно обрабатывают окаменелости ультрафиолетом, чтобы убить вирусы и бактерии на внешнем слое материи. Потом он соскабливается начисто — еще одна мера стерильности. Наконец, при помощи дрели ученые проникают внутрь кости, что генерирует мелкий порошок. Он и выступает объектом лабораторного анализа.
Хотя внешние источники ДНК могут быть проблемой для одних сфер науки, для других вирусы и бактерии — цель и желанная находка. Например, биологи из парижского Института Пастера, которые изучали зубы павших солдат армии Наполеона, волновались не о людях. Они хотели понять, что убило их при отступлении из России в 1812-м. И анализ пульпы зубов позволил им найти ДНК смертоносных бактерий, которые заразили тела солдат.
После получения ДНК-порошка ученым необходимо изолировать гены, потому что в этой «пыли» присутствуют многие другие вещества, вроде протеинов. Химические агенты способны растворить эти загрязнители, что, в результате, оставит чистую ДНК. После этого она смешивается с кремниевым порошком, обладающим позитивным зарядом, и перемешивается в центрифуге. У цепочки ДНК несколько негативных зарядов, что позволяет молекулам с позитивным зарядом притягивать их. Магнетизм кремния, таким образом, заставляет фрагменты ДНК «прилипать» к порошку, что делает его читаемым для ученых.
Но и этого мало. Физические образцы ДНК нужно конвертировать в цифровую форму, чтобы их можно было проанализировать. Для этого на рынке существует множество специальных машин-секвенаторов: в них встроены библиотеки искусственных молекул ДНК, которые называются адаптерами. Они выполняют роль своего рода ярлычков, позволяющих машине читать цепочки ДНК, к которым привязываются адаптеры.
ДНК состоит из миллиардов пар нуклеотидов. Машины выполняют роль камер, фотографирующих образцы и идентифицирующих частички анализируемой ДНК с помощью адаптеров. После этого информация конвертируется в текстовый файл, и готово — структурные блоки жизни в цифровом формате, удобном для просмотра, сортировки и сравнения.
Процедура секвенирования ДНК применяется в самых разных сферах науки, от криминалистики до медицинских исследований, но в случае древних ископаемых она может быть особенно сложной — старые цепочки ДНК бывают поврежденными или неполными. К счастью, сама по себе ДНК изменилась сравнительно мало за миллионы лет, что иногда позволяет химически восстановить или заполнить недостающие фрагменты.
Но есть одна проблема. Машины для секвенирования анализируют всю ДНК в образце — не важно, нужна она ученым или нет. То есть, даже несмотря на меры предосторожности в результаты анализа могут попасть чужеродные молекулы; например, в случае древних костей — те, что попали в ткань из земли. Хорошая новость в том, что цифровизация цепочек ДНК позволяет сравнить каждый фрагмент с базой данных, чтобы определить, соответствуют ли они известным животным, бактериям и вирусам.