El microbioma oral de la Dama Roja de El Mirón, clave en una investigación que revive moléculas de la Edad de Piedra
El estudio se ha publicado en la revista Science y entre los autores está Manuel González Morales, profesor Emérito de la UC e investigador del Instituto Internacional de Investigaciones Prehistóricas de Cantabria (IIIPC)
En un estudio altamente interdisciplinar, los científicos están reconstruyendo productos naturales microbianos de hasta 100.000 años de antigüedad utilizando el sarro dental de humanos y neandertales.
Los avances en la reconstrucción del genoma antiguo y la biotecnología ahora están revelando los ricos secretos moleculares de los microorganismos paleolíticos. En un nuevo estudio publicado en
Science, un equipo transdisciplinar de investigadores dirigido por el Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de Infecciones, el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva y la Universidad de Harvard, reconstruyeron genomas bacterianos de bacterias previamente desconocidas que datan del Pleistoceno. Usando sus planos genéticos, construyeron una plataforma de biotecnología para revivir los productos naturales de las bacterias antiguas.
Los microbios son los mejores químicos de la naturaleza, y entre sus creaciones se encuentran una gran cantidad de antibióticos y otras drogas terapéuticas del mundo. La producción de estos complicados productos químicos naturales no es sencilla, y para hacerlo, las bacterias dependen de tipos especializados de genes que codifican maquinaria enzimática capaz de producir tales productos químicos. En la actualidad, el estudio científico de los productos naturales microbianos se limita en gran medida a las bacterias vivas, pero dado que las bacterias han habitado la tierra durante más de tres mil millones de años, existe una enorme diversidad de productos naturales del pasado con potencial terapéutico que siguen siendo desconocidos para nosotros, hasta ahora.
"En este estudio, hemos alcanzado un hito importante al revelar la gran diversidad genética y química de nuestro pasado microbiano", dice la coautora principal Christina Warinner, profesora de Antropología en la Universidad de Harvard, líder de grupo en el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva (MPI-EVA), y Líder Afiliada del Grupo del Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de Infecciones (Leibniz-HKI). "Nuestro objetivo es trazar un camino para el descubrimiento de productos naturales antiguos e informar sobre sus posibles aplicaciones futuras", agrega el coautor principal Pierre Stallforth, profesor de química bioorgánica y paleobiotecnología en la Universidad Friedrich Schiller de Jena y director del Departamento de Paleobiotecnología en el Leibniz-HKI.
Un rompecabezas de mil millones de piezas
Cuando un organismo muere, su ADN se degrada rápidamente y se fragmenta en multitud de pequeños fragmentos. Los científicos pueden identificar algunos de estos fragmentos de ADN comparándolos con las bases de datos, pero durante años los arqueólogos microbianos han luchado con el hecho de que la mayoría del ADN antiguo no se puede comparar con nada de lo que se conoce hoy. Este problema ha preocupado a los científicos durante mucho tiempo, pero los avances recientes en la informática ahora hacen posible volver a unir los fragmentos de ADN, como las piezas de un rompecabezas, para reconstruir genes y genomas desconocidos. El único problema es que no funciona muy bien en ADN antiguo muy degradado y extremadamente corto del Pleistoceno. “Tuvimos que repensar por completo nuestro enfoque", dice Alexander Hübner, investigador postdoctoral en MPI-EVA y coautor principal del estudio. Tres años de pruebas y optimización más tarde, Hübner dice que lograron un gran avance, logrando tramos de ADN reconstruido de más de 100.000 pares de bases de longitud y la recuperación de una amplia gama de genes y genomas antiguos. "Ahora podemos comenzar con miles de millones de fragmentos de ADN antiguos desconocidos y ordenarlos sistemáticamente en genomas bacterianos perdidos hace mucho tiempo de la Edad de Hielo".
Explorando el Paleolítico microbiano
El equipo se centró en la reconstrucción de genomas bacterianos encerrados en el cálculo dental, también conocido como sarro dental, de 12 neandertales que datan de hace unos 102.000–40.000 años, 34 humanos arqueológicos que datan de unos 30.000–150 años atrás y 18 humanos actuales. El sarro dental es la única parte del cuerpo que se fosiliza rutinariamente durante la vida, convirtiendo la placa dental viva en un cementerio de bacterias mineralizadas. Los investigadores reconstruyeron numerosas especies de bacterias orales, así como otras especies más exóticas cuyos genomas no habían sido descritos antes. Entre ellos se encontraba un miembro desconocido de
Chlorobium, cuyo ADN altamente dañado mostraba las características de una edad avanzada, y que se encontró en el cálculo dental de siete humanos paleolíticos y neandertales. Se encontró que los siete genomas de
Chlorobium contenían un grupo de genes biosintéticos de función desconocida. "El cálculo dental de la
Dama Roja de El Mirón, España, de 19.000 años de antigüedad, arrojó un genoma de
Chlorobium particularmente bien conservado", dice Anan Ibrahim, investigadora postdoctoral en Leibniz-HKI y coautora principal del estudio. “Después de haber descubierto estos enigmáticos genes antiguos, queríamos llevarlos al laboratorio para descubrir qué hacen".
Química de la Edad de Hielo
El equipo utilizó las herramientas de la biotecnología molecular sintética para permitir que las bacterias vivas produjeran las sustancias químicas codificadas por los genes antiguos. Esta fue la primera vez que este enfoque se aplicó con éxito a bacterias antiguas y dio como resultado el descubrimiento de una nueva familia de productos naturales microbianos que los investigadores denominaron "paleofuranos". "Este es el primer paso para acceder a la diversidad química oculta de los microbios del pasado de la Tierra, y agrega una nueva y emocionante dimensión temporal al descubrimiento de productos naturales", dice Martin Klapper, investigador postdoctoral en Leibniz-HKI y coautor principal del estudio.
Una colaboración novedosa para fundar un nuevo campo
El éxito del estudio es el resultado directo de una ambiciosa colaboración entre arqueólogos, bioinformáticos, biólogos moleculares y químicos para superar las barreras tecnológicas y disciplinarias y abrir nuevos caminos científicos. “Con fondos de la Fundación Werner Siemens, nos propusimos construir puentes entre las humanidades y las ciencias naturales", dice Pierre Stallforth. “Al trabajar en colaboración, pudimos desarrollar las tecnologías necesarias para recrear moléculas producidas hace cien mil años", dice Christina Warinner. Mirando hacia el futuro, el equipo espera utilizar la técnica para encontrar nuevos antibióticos.
Artículo completo en: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf5300
Pie de foto: Manuel González Morales en el laboratorio del IIIPC
