Een genoomreconstructie van de orale microbiota over een enorme periode van 100.000 jaar menselijke geschiedenis kan een verrassende verschuiving hebben onthuld in de soorten bacteriën die onze mond graag naar huis roepen.
Onderzoekers uit heel Duitsland en de VS werkten samen om DNA te decoderen dat was geëxtraheerd uit de tandplak van menselijke en Neanderthalerresten, waarbij ze de sequenties gebruikten om eiwitten na te bootsen die ooit door bacteriën werden gebruikt.
Het is een enorm moment in de studie van de microben die mensen herbergen, en geeft ons inzicht in bacteriën die niet langer deel uitmaken van het persoonlijke ecosysteem van ons lichaam. In de toekomst kunnen deze bevindingen zelfs worden gebruikt om nieuwe medicamenteuze behandelingen te ontwikkelen.
Tandsteen of verkalkte tandplak is een perfecte schuilplaats voor ziektekiemen, daarom benadrukt uw tandarts het belang van dagelijks poetsen en flossen. Hoe goed het ook is om bacteriën te beschermen, de onderzoekers waren alleen in staat om zeer kleine stukjes DNA uit de oude monsters te halen om mee te werken. Dit liet veel wetenschappelijk speurwerk over om de sequenties te ontcijferen.
“Een typisch bacterieel genoom is 3 miljoen basenparen lang, maar de tijd fragmenteert het oude DNA dat we herstellen tot een gemiddelde lengte van slechts ongeveer 30 tot 50 basenparen”, zegt antropoloog Christina Warinner van Harvard University in Massachusetts.
“Met andere woorden, elk oud bacterieel genoom is als een puzzel van 60.000 stukjes, en elk stukje tandsteen bevat miljoenen genomen.”
De onderzoekers gingen uit van platen van 12 Neanderthalers (tussen 40.000 en 102.000 jaar oud) en 34 mensen (tussen 150 en 30.000 jaar oud).
Voorheen zouden dergelijke genetische fragmenten zijn vergeleken met de genomen van moderne microbiële soorten – een nuttige referentie, maar een die nooit soorten zal onthullen die nieuw of uitgestorven zijn.
In dit geval verbeterden de onderzoekers een proces dat bekend staat als de de novo-assemblagetechniek, waarbij kleinere DNA-residuen in een volledig genoom kunnen worden gemaakt.
Het is een beetje alsof je een puzzel probeert samen te stellen met slechts een paar stukjes en geen afbeelding om mee te werken. Er wordt een verscheidenheid aan trucs ontwikkeld, waaronder overlap en patroonherkenning, om te proberen de hiaten op te vullen – en na drie jaar van zorgvuldige vergelijking en analyse van alle monsters, kunnen de bacteriële genomen worden gereconstrueerd.
Uit de genomen van opmerkelijke kwaliteit identificeerden de onderzoekers een gemeenschappelijke sequentie genaamd biosynthetische genclusters. Genen binnen deze groepen spelen een belangrijke rol bij het maken van eiwitten in bacteriën.
“Dus bacteriën produceren complexe en nuttige chemicaliën,” zegt Waarschuwer. “Bijna al onze antimicrobiële middelen en veel van onze medicamenteuze therapieën komen uiteindelijk voort uit dergelijke bacteriële biosynthetische genclusters.”
Door gereconstrueerde DNA-sequenties over te brengen naar moderne bacteriën, produceerden onderzoekers met succes enzymen op basis van de oude blauwdrukken van microben die ooit in de mond van onze voorouders leefden. Een van deze enzymen produceerde organische moleculen die bekend staan als furanen, die momenteel betrokken zijn bij signalering tussen bacteriële cellen.
Op basis van een studie van de genen aan elke kant van het furaanproducerende enzym, vermoedden de onderzoekers dat deze specifieke versie een rol zou kunnen spelen bij het reguleren van bacteriële fotosynthese.
Over het algemeen leek het grootste aantal hoogwaardige sequenties te behoren tot een geslacht van bacteriën genaamd Chlorobium. In staat om licht te gebruiken om zwavel te oxideren voor energie, zijn deze microben niet bepaald het soort organismen waarvan we verwachten dat ze zich in onze tanden nestelen.
Het is mogelijk dat ze ooit in de menselijke mond leefden en de paar stralen absorbeerden die toevallig onze amandelen verwarmden elke keer dat we onze mond openden. Of was het een gevolg van het drinken van meerwater.
Terwijl we het hier niet hebben over het weer tot leven brengen van microben – een versie van bacteriën Jurassic Park – Oude genomen zijn nuttig om wetenschappers te vertellen hoe ons microbioom in de loop van tienduizenden jaren kan zijn veranderd en geëvolueerd.
Zo is er de vraag waarom deze bacteriën niet meer in onze mond aanwezig zijn – misschien door een verandering in gedrag of drinkgewoonten – die in toekomstig onderzoek aan de orde zou kunnen komen.
“Nu kunnen we dit proces opschalen”, zegt Warinner. “Plots kunnen we ons begrip van het biochemische verleden enorm uitbreiden.”
Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap.
