Científicos "reviven" moléculas de la Edad de Piedra
En un estudio altamente transdisciplinar, los científicos reconstruyen productos naturales microbianos de hasta 100.000 años de antigüedad
Los avances en la reconstrucción de genomas antiguos y la biotecnología revelan ahora los ricos secretos moleculares de los microorganismos del Paleolítico. 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 las Infecciones, el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva y la Universidad de Harvard reconstruyó los genomas bacterianos de bacterias desconocidas hasta entonces que datan del Pleistoceno. Con sus planos genéticos, construyeron una plataforma biotecnológica para revivir los productos naturales de las antiguas bacterias.
Utilizando ADN antiguo, los bioquímicos han logrado producir moléculas: los paleofuranos (que aquí se muestran en forma de polvo).
Anna Schroll, Leibniz-HKI
Los microbios son los mejores químicos de la Naturaleza, y entre sus creaciones se encuentra un gran número de los antibióticos y otros fármacos terapéuticos del mundo. Producir estos complicados productos químicos naturales no es sencillo, y para ello las bacterias dependen de tipos especializados de genes que codifican maquinaria enzimática capaz de fabricar tales sustancias químicas. 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 3.000 millones de años, existe una enorme diversidad de productos naturales del pasado con potencial terapéutico que nos siguen siendo desconocidos... hasta ahora.
"Con este estudio hemos alcanzado un hito importante en la revelación de la enorme diversidad genética y química de nuestro pasado microbiano", afirma la coautora principal Christina Warinner, profesora asociada de Antropología en la Universidad de Harvard, jefa de grupo en el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva y jefa de grupo afiliada en el Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de las Infecciones (Leibniz-HKI). "Nuestro objetivo es trazar un camino para el descubrimiento de productos naturales antiguos e informar sobre sus posibles aplicaciones futuras", añade el coautor principal Pierre Stallforth, catedrático de Química Bioorgánica y Paleobiotecnología de la Universidad Friedrich Schiller de Jena y director del Departamento de Paleobiotecnología del Leibniz-HKI.
Un rompecabezas de mil millones de piezas
Cuando un organismo muere, su ADN se degrada rápidamente y se fragmenta en multitud de piezas diminutas. Los científicos pueden identificar algunos de estos fragmentos de ADN cotejándolos con bases de datos, pero durante años los arqueólogos microbianos han luchado con la rapidez con la que la mayor parte del ADN antiguo no puede cotejarse con nada conocido en la actualidad. Este problema lleva mucho tiempo preocupando a los científicos, pero los últimos avances informáticos permiten ahora recomponer 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 con ADN antiguo del Pleistoceno, muy degradado y extremadamente corto. "Tuvimos que replantearnos por completo nuestro enfoque", afirma Alexander Hübner, investigador postdoctoral del Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva y coautor principal del estudio. Después de tres años de pruebas y optimización, Hübner afirma que han logrado un gran avance, con 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 partir de miles de millones de fragmentos desconocidos de ADN antiguo y ordenarlos sistemáticamente en genomas bacterianos de la Edad de Hielo perdidos hace mucho tiempo".
Explorando el Paleolítico microbiano
El equipo se centró en reconstruir los genomas bacterianos encerrados en el cálculo dental, también conocido como sarro dental, de 12 neandertales de hace unos 102.000-40.000 años, 34 humanos arqueológicos de hace unos 30.000-150 años y 18 humanos actuales. El sarro dental es la única parte del cuerpo que se fosiliza de forma rutinaria a lo largo de la vida, convirtiendo la placa dental viva en un cementerio de bacterias mineralizadas. Los investigadores reconstruyeron numerosas especies bacterianas orales, así como otras especies más exóticas cuyos genomas no se habían descrito antes.
Entre ellas se encontraba un miembro desconocido de Chlorobium, cuyo ADN, muy dañado, mostraba las señas de identidad de una edad avanzada, y que se halló en el cálculo dental de siete humanos del Paleolítico y Neandertales. 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, contenía un genoma de Chlorobium especialmente bien conservado", explica Anan Ibrahim, investigador postdoctoral del Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de las Infecciones y coautor principal del estudio. "Tras descubrir estos enigmáticos genes antiguos, quisimos llevarlos al laboratorio para averiguar qué fabrican".
Química de la Edad de Hielo
El equipo utilizó las herramientas de la biotecnología molecular sintética para que las bacterias vivas produjeran las sustancias químicas codificadas por los genes antiguos. Era la primera vez que este método se aplicaba con éxito a bacterias antiguas, y el resultado fue el descubrimiento de una nueva familia de productos naturales microbianos que los investigadores denominaron "paleofuranos". "Se trata del primer paso hacia el acceso a la diversidad química oculta de los microbios del pasado y añade una nueva y apasionante dimensión temporal al descubrimiento de productos naturales", afirma Martin Klapper, investigador postdoctoral del Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de las Infecciones y coautor principal del estudio.
Una novedosa colaboración 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 barreras tecnológicas y disciplinarias y abrir nuevos caminos científicos. "Con financiación de la Fundación Werner Siemens, nos propusimos tender puentes entre las humanidades y las ciencias naturales", afirma Pierre Stallforth. "Trabajando en colaboración, pudimos desarrollar las tecnologías necesarias para recrear moléculas producidas hace cien mil años", afirma Christina Warinner. De cara al futuro, el equipo espera utilizar la técnica para encontrar nuevos antibióticos.
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Publicación original
Klapper M, Hübner A, Ibrahim A, Wasmuth I, Borry M, Haensch VG, Zhang S, Al-Jammal WK, Suma H, Fellows Yates JA, Frangenberg J, Velsko IM, Chowdhury S, Herbst R, Bratovanov EV, Dahse H-M, Horch T, Hertweck C, González Morales MR, Straus LG, Vilotijevic I, Warinner C, Stallforth P (2023). Natural products from reconstructed bacterial genomes of the Middle and Upper Paleolithic. Science
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