EN / DA
Miljø og bæredygtighed

Ny metode afkoder evolutionens hemmeligheder

Hidtil har forskere kun kunnet kortlægge genetiske slægtskaber op til 700.000 år tilbage i tiden. Den ramme har danske forskere nu udvidet til 1,7 mio. år.

Gennem de seneste år er forskere blevet dygtigere til at afkode evolutionens hemmeligheder.

Ved hjælp af meget gammel DNA har forskere kunnet finde ud af, hvordan mennesker og neandertalere er beslægtet, og hvor hunden oprindeligt stammer fra.

Dog er forskerne begrænset af, hvor lang tid DNA kan overleve i fossiler, og det sætter grænsen for, hvor langt de kan se tilbage i tiden. Holdbarhedstiden på DNA er nemlig ikke uendelig, og indtil videre er det ældste fundne DNA 700.000 år gammelt og stammer fra permafrosten i Canada.

Langt det meste DNA er dog ikke så gammelt, fordi det kræver permanent frost over mange tusinder af år for at bevare det frem til nutiden.

Dette problem kan dog være ”fortid”, efter forskere fra Københavns Universitet har fundet ud af, at de i stedet kan bruge ældgamle proteiner til at bestemme, hvordan forskellige for længst uddøde arter af dyr er beslægtet med deres nulevende slægtninge. Med den nye metode er forskerne indtil videre lykkedes med at se vanvittige 1,7 mio. år tilbage i tiden. Der er dog potentiale for meget mere.

”Proteiner overlever meget bedre i fossiler end DNA, så det er et kæmpe fremskridt i at se endnu længere tilbage i tiden, end vi nogensinde har kunnet gøre før,” fortæller en forsker bag udviklingen af den nye metode, lektor Enrico Cappellini fra Section for Evogenomics, Globe Institute, Københavns Universitet.

Metoden er for nylig blevet præsenteret i Nature.

Ekstremt velbevarede proteiner i tandemalje

Metoden er ikke så forskellig fra andre metoder til at identificere aminosyresekvenser i proteiner.

Forskere benytter rutinemæssigt massespektrometri til at danne et billede af, hvordan de enkelte aminosyrer i et protein sidder i forhold til hinanden, og ved at sammenligne aminosyresekvensen i et givent protein fra eksempelvis et nulevende menneske, en chimpanse, en gorilla og en orangutang kan forskere afgøre, hvordan de forskellige arter er beslægtet, og hvilken af arterne, der først splittede fra de andre i en evolutionær sammenhæng.

Det revolutionære i den nye metode er, at forskerne undersøger proteiner i tandemalje.

Tandemaljen er det hårdeste materiale på et dyr, og netop emaljen er rigtig god til at passe på proteiner over tid.

”Analyser af proteiner giver ikke den samme genetiske opløsning som at kigge på DNA, men vi kan kigge meget længere tilbage i tiden til tidspunkter, hvor vi ikke længere har DNA fra. Indtil videre er vi gået 1,7 mio. år tilbage i tiden, men vi ved ret beset ikke, hvor langt tilbage vi kan komme med den her metode,” forklarer Enrico Cappellini.

Ældgamle proteiner skal ikke klippes i stykker af enzymer

Enrico Cappellini og kollegaer har udviklet metoden til at udtage og analysere ældgamle proteiner.

Det springende punkt i forhold til teknikker, der anvendes til at analysere moderne proteiner, er, at forskerne ikke nedbryder proteinerne først.

Når forskere skal analysere moderne proteiner, tilsætter de et enzym, som klipper proteinerne i stykker, så de individuelle dele kan analyseres hver for sig og efterfølgende sættes sammen som et aminosyrepuslespil til den samlede aminosyresekvens.

Men da tidens tand allerede har gjort proteinerne i de ældgamle prøver fragmenterede, fandt Enrico Cappellini ud af, at de slet ikke behøvede at tilsætte enzymerne, inden de analyserede prøverne med massespektrometri.

”Det svære i processen var ikke analysen i sig selv, men at finde ud af hvilket materiale, vi skulle finde proteinerne i, og hvordan proteinerne skulle isoleres, før vi kunne analysere dem. Hvert aspekt i den normale måde at analysere proteiner på skulle justeres og tilpasses de ældgamle proteiner,” siger Enrico Cappellini.

Kortlægger slægtskab for ældgammelt næsehorn

Enrico Cappellini fortæller, at perspektiverne i den nye teknik er ekstremt interessante.

Forskerne har brugt teknikken til at kortlægge sekvensen af aminosyrer i proteiner fra et 1,7 mio. år gammelt næsehorn, som levede i Dmanasi i det nuværende Georgien.

Aminosyresekvensen var 900 aminosyrer lang og næsten komplet.

Forskerne sammenlignede aminosyresekvensen med tilsvarende aminosyresekvenser fra tandemaljen hos fem nulevende næsehornsarter (Sumatra, Java, indisk, hvide og sorte) og to uddøde næsehornsarter.

Forskerne brugte sammenligningen af proteinerne til at slå fast, at det undersøgte næsehorn fra Dmanasi var en slægtning til de to uddøde næsehorn, og de kunne også se, hvordan det var beslægtet med moderne næsehorn.

”Både vores næsehorn og de nulevende næsehorn havde en fælles forfader, som levede i Europa og det vestlige Asien for mere end 2 mio. år siden. Vores næsehorn splittede fra det evolutionære træ først, og derefter splittede de to andre uddøde næsehorn,” forklarer Enrico Cappellini.

Rekonstruktionen af proteinerne indikerer også, at blandt nutidens levende næsehorn er Sumatranæsehornet det, som er tættest beslægtet med Dmanasi-næsehornet, selvom det ikke er en direkte slægtning.

Vil undersøge menneskets forfædre

Hvordan for længst uddøde næsehorn er beslægtet med hinanden har måske ikke den brede offentligheds interesse, og det er da heller ikke næsehornene, som Enrico Cappellini vil fokusere på.

Perspektiverne er meget større.

Eksempelvis kigger forskerne allerede nu på muligheden for at bruge teknikken til at finde ud af, hvordan vores forfædre er beslægtede.

Gennem vores evolutionære historie har der været mange forskellige menneskearter, hvoraf nogle uddøde i evolutionære blindgyder, mens andre blev til os.

Hele det puslespil omkring at kortlægge slægtskabsforholdene mellem disse for længst uddøde menneskeslægtninge er indtil videre udelukkende baseret på undersøgelser af morfologi i de sporadiske fund af kranier og knogler, som er blevet gravet frem i Afrika og Asien.

Fremtidige undersøgelser af proteiner i de tænder, som palæontologer finder, kan kaste et helt nyt lys over vores fortid og blotlægge, hvem vores direkte forfædre var, og hvem vores fjerne tanter og onkler var.

”Det er selvfølgelig det mest interessante perspektiv i at anvende denne nye teknik til at undersøge og sammenligne ældgamle proteiner,” siger Enrico Cappellini.

Early Pleistocene enamel proteome from Dmanisi resolves Stephanorhinus phylogeny” er udgivet i tidsskriftet Nature. Flere medforfattere er ansat på Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research, Københavns Universitet.

Enrico Cappellini
Lektor v. EvoGenomics
I use high-resolution mass spectrometry (MS) to sequence ancient protein residues recovered from paleontological and cultural heritage materials. I am actively involved in methodological development to push reliable recovery of ancient proteins further back in time, to minimise starting sample quantities and to improve data analysis and interpretation. Initially trained in biochemistry and molecular biology at the University of Turin (Italy), I then expanded my expertise in proteomics and investigation of ancient proteins and DNA. I was trained in analysis of ancient DNA from archaeological human remains (Cappellini et al., Journal of Archaeological Science 2004) and I received my PhD at the University of Florence (Italy) in 2003. During my post-doctoral activity in at the University of York (UK) I continued working on ancient DNA and started characterisation of ancient protein residues by amino acid racemisation analysis and MS-based proteomics (Willerslev, Cappellini et al., Science 2007, Cappellini et al., Naturwissenschaften 2010). I moved to the Centre for GeoGenetics, Natural History Museum of Denmark (SNM), University of Copenhagen (DK), in 2009 and I continued applying proteomics techniques to ancient samples in collaboration with colleagues at the Novo Nordisk Foundation center for Protein Research (CPR). We published published the first ancient proteome (Cappellini et al., JPR, 2012) and the first ancient oral metaproteome (Warinner et al., Nature Genetics, 2014). As a demonstration of his prominent role in paleoproteomics investigation he was invited to submit a “Perspective” piece by the multidisciplinary scientific magazine “Science”. In October 2016 I was appointed Associate Professor in Paleoproteomics at SNM to start my own research group.