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 del 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.
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
¿Quién era y cómo vivía la “dama roja” de El Mirón?
La cueva cántabra de El Mirón, en la que un equipo del que forma parte la Universidad de Cantabria excava e investiga desde hace años, guarda el misterio del primer enterramiento magdaleniense localizado en la Península Ibérica. En el verano de 2010, los investigadores hallaron unos huesos humanos que fueron datados dos años después con la técnica del carbono 14, confirmando su antigüedad y apuntando a que se trataba de un joven adulto.
Hoy sabemos que se trata de una mujer de entre 35 y 40 años que vivió en Cantabria hace 19.000 años y cuyo cuerpo fue cubierto de una pintura ocre en lo que parece un ritual funerario excepcional. Por ello sus descubridores, Manuel González Morales (Instituto Internacional de Investigaciones Prehistóricas de Cantabria) y Lawrence G. Straus (Universidad de New Mexico, Estados Unidos) la han bautizado como la “dama roja” de El Mirón.
Los restos aparecieron tras un gran bloque de piedra que había caído del techo de la cueva y que presentaba unos curiosos grabados lineales que podrían asociarse a una representación de la mujer. Los enterramientos no eran comunes en esa era prehistórica, de ahí la importancia del hallazgo realizado en la cavidad de Ramales de la Victoria y la teoría de que la mujer podría ser alguien especial o tener cierto carácter sagrado.
Grabados aparecidos en un bloque tras el que estaba la tumba.
La tumba sufrió alteraciones posteriores, ya que algún animal robó la tibia -que fue recuperada después- y faltan el cráneo y huesos grandes que probablemente fueron trasladados a otros lugares. El análisis de los dientes de la “dama roja” también aporta información sobre cómo se alimentaba: alrededor del 80 por ciento de su dieta era carnívora (ciervos, íbices…) y el resto piscícola (salmón) y vegetal. Todos estos resultados y el análisis de ADN de los restos han sido publicados en la revista “Journal of Archaeological Science”.
La datación se realizó en dos centros alemanas: el “Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology” de la Universidad de Leipzig con una técnica innovadora de separación del colágeno denominada ultrafiltración, y el “Curt-Engelhorn Centre for Archaeometry” de la Universidad de Tubingen mediante acelerador lineal de partículas.
Cazadores del pasado
Durante el Magdaleniense Inferior, la Cueva del Mirón conoció una ocupación intensiva, de la que son testimonio numerosos restos de la actividad cazadora, grandes cantidades de huesos de animales, decenas de miles de fragmentos de tallas de sílex y otras materias primas que se usaban para fabricar útiles y armas. También corresponden a esa época numerosas piezas de hueso y asta, muchas de ellas decoradas, como un excepcional omóplato grabado con una cabeza de cierva que se halló en la campaña de 2004. Las investigaciones realizadas en el yacimiento permiten conocer diversos aspectos de los habitantes de aquella época: alimentación, salud, posibles movimientos migratorios…
La excavación es parte de un proyecto internacional desarrollado desde 1996 por el IIIPC y el Departamento de Antropología de la Universidad de New Mexico. Los trabajos están financiados por la Consejería de Cultura, Turismo y Deporte del Gobierno de Cantabria y por otras entidades y particulares como la propia Universidad de New Mexico, la escritora Jean Auel, autora de la exitosa saga literaria de “El clan del oso cavernario”, o la fundación estadounidense L.S.B. Leakey.
El IIIPC es un instituto mixto de investigación de la Universidad de Cantabria, en cuyo patronato participan el Gobierno de Cantabria, el Grupo Santander Universidades y la Fundación Botín.
