Terug in de tijd met oud DNA

Eline Lorenzen
Credit: Tina Brand

Sommige aspecten van DNA-onderzoek zijn beslist modern: denk aan genetische manipulatie of genetische tests. Een ander ras van DNA-onderzoekers wil echter oud en nieuw versmelten. Door gebruik te maken van de kracht van moderne sequencing en analytische technieken, werken ze aan het ontdekken van de genetische geheimen verborgen in het DNA van oude exemplaren verzameld tijdens archeologische expedities of samengesteld in musea. Deze oude DNA-onderzoekers analyseren geconserveerd DNA van oude mensachtigen, planten en dieren om meer te weten te komen over hun evolutionaire geschiedenis, en bieden een detailniveau dat conclusies op basis van modern DNA eenvoudigweg niet kunnen evenaren.

Maar ondanks de successen, waarvan sommige worden beschreven in de speciale uitgave van deze week, is oud DNA-onderzoek verre van routine. De monsters worden vaak afgebroken en zijn gevoelig voor besmetting door DNA uit andere bronnen, en gegevens overhalen uit het oude materiaal is kostbaar en nauwgezet werk. Op een meer fundamenteel niveau is het onderdeel van het bedenken van een onderzoeksvraag dat moet worden bepaald of de benodigde monsters bestaan ​​en, zo ja, waar ze zijn en hoe ze toegang kunnen krijgen.

Een van de grote moeilijkheden is om je eigen weg te vinden en proberen je eigen onderzoeksgebied te vinden waar iemand nog niet is geweest om de monsters te vinden.

–Eline Lorenzen
Je kunt meer van dit soort verhalen lezen in Science's speciale uitgave over oud DNA.

Je kunt meer van dit soort verhalen lezen in Science's speciale uitgave over oud DNA.

Deze uitdagingen zijn niet voldoende om sommige onverschrokken onderzoekers weg te houden. Momenteel wordt het veld gedomineerd door een relatief klein aantal gevestigde, goed gefinancierde laboratoria, maar er is een andere generatie onderzoekers die zich eigen maken en op zoek zijn naar wat ruimte voor zichzelf in dit dynamische veld. Hier zijn de verhalen van drie van deze wetenschappers.

De dierenvriend

In maart 2010 was Eline Lorenzen op jacht naar ijsberen ... soort van. Geleid door een donkere, doolhofachtige kelder aan de Russische Academie van Wetenschappen (RAS) in St. Petersburg, bereikte ze haar steengroeve: een doos met oude botten. Met de grootste zorg boorde ze een klein stukje van elk bot, stopte het in een plastic zak om terug te brengen naar het oude DNA-laboratorium van Eske Willerslev aan de Universiteit van Kopenhagen, waar ze een postdoc was. Ze hoopte dat het sequencen en analyseren van het DNA in deze oude monsters nieuwe informatie zou bieden over hoe ijsberen evolueerden.

Een paar jaar eerder werkte Lorenzen alleen met modern DNA. Een dierenliefhebber - als kind dat opgroeide in Zuid-Afrika ging ze vaak op safari in de savanne - ze bestudeerde de populatiegenetica van Afrikaanse hoefdieren voor haar Ph.D., ook aan de Universiteit van Kopenhagen. Daar ontmoette ze Willerslev en voelde ze zich geïnspireerd door zijn enthousiasme en het spannende onderzoek dat gaande was in het oude DNA-veld. Ze besloot dat ze zich bij zijn laboratorium wilde voegen en zelf in het oude DNA wilde duiken - haar naar de kelder van RAS leidend.

Eline Lorenzen

Eline Lorenzen

Met dank aan Eline Lorenzen

Maar het verzamelen van oude monsters was slechts de eerste stap. Toen ze de botfragmenten terug had in het laboratorium, trok ze een volledig lichaamspak, een gezichtsmasker, een haarnet en een dubbele laag handschoenen aan. In een zuurkast in een laboratorium dat speciaal was bedoeld voor oud DNA-werk, maakte ze de botten schoon en schraapte ze de buitenste lagen weg om zoveel mogelijk DNA-besmetting te verwijderen voordat ze een deel van elk bot vermalen en de DNA-extractie uitvoerde. Vervolgens gebruikte ze amplificatie- en sequentiemethoden om erachter te komen of het DNA te afgebroken of verontreinigd was om bruikbare resultaten op te leveren. Als het monster bruikbaar was, was het terug naar stap één om de sequencingresultaten te optimaliseren. "Het is super moeilijk om gegevens te krijgen, " zegt Lorenzen. "Het kost veel werk en veel tijd." Ze werkt nog steeds met haar oude ijsbeermonsters meer dan 5 jaar na het verzamelen ervan.

Complicerende zaken zijn verder het feit dat, naarmate het veld rijpt, onderzoekers sequenties van meerdere specimens moeten verzamelen en analyseren om te bewijzen dat hun resultaten niet gebaseerd zijn op de eigenaardigheden van een enkel monster. "Als jij de persoon aan de bank bent, kan het behoorlijk ontmoedigend zijn hoe lang het duurt om gegevens te genereren op een schaal die kan worden gepubliceerd in een high-impact tijdschrift", zegt ze.

Gelukkig voor haar waren de botten waar ze monsters van verzamelde, vrij van andere boorsporen, wat aangeeft dat er nog geen andere onderzoekers monsters hadden genomen. Het was een ander verhaal in het zoölogisch museum van RAS een paar dagen eerder, waar ze niet mocht proeven van de botten waarvoor ze was gekomen, omdat ze al bedekt waren met boorsporen van andere onderzoekers die, net als zij, hoopten de relatief klein aantal oude ijsbeermonsters om hun evolutionaire geschiedenis te onthullen.

"Het is een zeer competitief gebied omdat oud DNA een hot topic is", zegt Lorenzen, nu een universitair docent aan het Center for GeoGenetics aan het Natural History Museum van de Universiteit van Kopenhagen en een gastwetenschapper in het laboratorium van Rasmus Nielsen aan de University of California (UC Berkeley. "Het is een hechte gemeenschap, maar het is ook een hecht veld, omdat veel mensen geïnteresseerd zijn in dezelfde algemene vragen" - wat zijn bijvoorbeeld de evolutionaire geschiedenis van mensen, charismatische grote dieren zoals ijsberen en essentiële landbouwgewassen zoals maïs. “Er zijn veel mensen die geïnteresseerd zijn in het werken aan deze oude monsters. Een van de grote moeilijkheden is om je eigen weg te vinden en proberen je eigen onderzoeksgebied te vinden waar iemand nog niet is geweest om de monsters te vinden. "

Eline Lorenzen

Eline Lorenzen

Credit: Tina Brand

Junior onderzoekers die proberen hun eigen niche te vestigen, willen zich misschien richten op de minder bestudeerde soorten, zelfs als ze niet zo glamoureus zijn, zegt Lorenzen zolang de onderzoeksvraag belangrijk is. Bovendien kunnen ze door het ontwikkelen van relaties met musea en curatoren die oude specimencollecties hebben, op de hoogte blijven van welke monsters beschikbaar zijn, wat hen kan helpen nieuwe onderzoeksvragen te ontwikkelen.

Communicatie en samenwerking met de andere onderzoekers in het oude DNA-veld zijn cruciale stappen om het evenwicht tussen concurrentie en samenwerking te vinden. Lorenzen beveelt conferenties aan als een belangrijke manier om deze relaties op te bouwen, vooral als je begint. Je moet navigeren wie er nog meer in het veld staat en waar ze aan werken. Het is een beetje een mijnenveld, maar als je een goede werkrelatie met ze hebt en ze vaak hebt ontmoet op conferenties en workshops, maakt het het leven veel gemakkelijker. Dat netwerken kan nooit te vroeg beginnen.

Lorenzen heeft haar postdoctoraal onderzoek niet beperkt tot oude DNA-monsters. Ze heeft wat werk verricht aan de evolutie van ijsberen, bijvoorbeeld door te werken met modern DNA van ijsberen. Ik blijf heen en weer gaan en zeg, nooit meer, zegt ze. Maar ondanks de technische problemen komt ze er altijd weer op terug. I ben niet zo gepassioneerd door oeroud DNA dat ik de rest van mijn leven met oude monsters moet werken, maar nu, voor mijn werk, kan ik een aantal unieke inzichten krijgen die ik niet zou krijgen t in staat zijn zonder het opnemen van oude monsters

De gokker

Na het doen van een oude DNA Ph.D. in Europa en een postdoc-combinatie van modern en oud DNA-werk in de Verenigde Staten, weet Mar a vila-Arcos dat haar beslissing om terug te keren naar haar geboorteland Mexico een risicovolle carrièrestap is. Het betekent minder middelen en meer uitdagingen om onderzoek te doen in een nu al uitdagend veld. Maar toen ze een aanbod kreeg om haar eigen onderzoeksgroep te beginnen met het bestuderen van de evolutionaire geschiedenis van Latijns-Amerikanen aan het nieuwe instituut voor menselijk genoomonderzoek in Mexico, minder dan 3 jaar na het afronden van haar doctoraat, kon ze niet aan de beurt het naar beneden. Ik voel me niet helemaal klaar om deze grote stap te maken, maar Ik weet dat ik altijd spijt zou hebben als ik nee zou zeggen en mezelf niet de kans zou geven om het op zijn minst te proberen.

Mar a vila-Arcos

Mar a vila-Arcos

Credit: Pavel Galeana

Dit is niet de eerste gedurfde carrièrestap van vila-Arcos. Als student die genoomwetenschappen studeerde aan de National Autonomous University of Mexico, was ze meteen gefascineerd toen ze enkele van de vroege kranten las over het sequencen van het mitochondriaal DNA van Neandertal. Na een sollicitatiegesprek voor een functie als Ph.D. kandidaat bij een van de beste oude DNA-labs, kreeg ze een plek aangeboden Ondertussen had ze ook een uitnodiging ontvangen van Thomas Gilbert, die net begon en sindsdien een leider in het veld is geworden, om met hem te werken aan de Universiteit van Kopenhagen. Hoewel ze het gevoel had dat werken in het beroemde lab 'een garantie zou zijn voor een perfecte oude DNA-carrière', koos ze voor het laboratorium van Gilbert, dat voelde als een betere pasvorm voor haar persoonlijkheid. "Het was een beslissing die ik vanuit het hart nam, " zegt ze, "en ik heb nooit spijt gehad van mijn beslissing." Tijdens haar Ph.D. werkte ze met oeroud DNA van verschillende organismen - waaronder walvissen, koala's en maïs. - alvorens zich op mensen te vestigen, om hun evolutie te bestuderen.

Tegenwoordig richt ze zich als postdoc aan de Stanford University in Palo Alto, Californië, op de populatiebewegingen van premoderne mensen. Ze was bijvoorbeeld betrokken bij onderzoek naar de recente bevolkingsgeschiedenis van indianen, die deze week net in Science werd gepubliceerd. Dergelijke vragen 'zijn relevant voor levende populaties. ... We vragen allemaal naar onze oorsprong. We zijn altijd benieuwd naar waar we vandaan komen. ”Momenteel werkt ze aan een project om meer te weten te komen over Afrikaanse afkomst in Mexico. Ze hoopt het DNA te analyseren van archeologische monsters van de vroegst bekende Afrikanen die tot slaaf zijn gemaakt in Mexico. In de tussentijd heeft ze net veldwerk voltooid en verzamelde ze het DNA van levende Mexicaanse deelnemers om de oudere exemplaren aan te vullen.

Een van de belangrijkste uitdagingen waarmee ze wordt geconfronteerd bij het starten van haar nieuwe lab, is het werken met beperkte middelen. "Het is nu een supercompetitief veld en je moet veel geld hebben om zoveel mogelijk monsters te sequencen", zegt ze. “Ik weet niet of ik in staat ben om te concurreren als ik in Mexico ben. ... ik zal creatief moeten zijn en goed moeten nadenken over waar ik mijn geld zet. "

María Ávila-Arcos

María Ávila-Arcos

Credit: Mario Millones

Ze hoopt dat haar lab deel zal uitmaken van een grotere beweging om de discipline te 'democratiseren'. "Op dit moment zijn er soort monopolies die het veld besturen", zegt ze, verwijzend naar de grote, gevestigde, goed gefinancierde laboratoria die verantwoordelijk zijn voor de meeste grote oude DNA-projecten. Het sequencen van oud DNA is duur, dus het kan moeilijk zijn voor nieuwe laboratoria om het veld in te gaan, maar er zijn inspanningen aan de gang om methoden te ontwikkelen om de kosten te drukken en het veld toegankelijker te maken voor nieuwkomers.

Een andere uitdaging - die ze probeert te benutten - is het gebrek aan geografische diversiteit in het veld. "Tot nu toe lag de focus vooral op monsters die in een Europese context werden gevonden", zegt ze. “Dat heeft enkele redenen voor DNA-bewaring, maar het vertegenwoordigt ook een vooroordeel. Alleen al het werken aan monsters uit Europa laat in principe de rest van de wereld onbeheerd achter. Er zijn veel interessante vragen die buiten Europa beantwoord kunnen worden, zoals de evolutionaire geschiedenis van mensen, dieren en planten van elders in de wereld, wat een van haar doelen is voor haar nieuwe lab.

De ontwikkelaar

Terwijl de experimentalisten in het veld in het lab werken om reeksen uit oude exemplaren over te halen, dwaalt Sriram Sankararaman zelden ver van zijn computer af. Hij werkt aan het andere uiteinde van de analysepijplijn en ontwikkelt methoden om betekenis te extraheren uit de toenemende hoeveelheid genetische gegevens, oud en modern, die zijn wet lab-collega's genereren.

Als computerwetenschapper van opleiding, raakte hij geïnteresseerd in het toepassen van zijn expertise op biologische problemen toen hij als stagiair bij IBM Research werd blootgesteld aan bio-informatica-onderzoek. Toen hij overging naar zijn Ph.D. in computerwetenschappen aan UC Berkeley, wilde hij dit veld verder verkennen, dus volgde hij een paar bioinformatica cursussen. Ik hield echt van de soorten problemen en soorten uitdagingen Bio-informatica pakte aan, zegt hij. Voor zijn doctoraat concentreerde hij zich op biologische vragen, bijvoorbeeld het ontwikkelen van een algoritme om populaties te bestuderen die mengsels van andere populaties zijn, het resultaat van een proces dat mengsel wordt genoemd, en eigenschappen van de oorspronkelijke populaties af te leiden.

Toen hij zijn Ph.D. afrondde, werd in 2010 de eerste volledige Neandertal-genoomsequentie vrijgegeven, en hij besefte dat zijn expertise misschien een opwindende toepassing heeft in het oude DNA. Voor mij was een van de meest opwindende ontdekkingen die uit die analyse [van het Neandertal-genoom] naar voren kwamen, dat er een vermenging was tussen moderne mensen en Neandertals. Het leek zowel een heel opwindende kans als een uitdaging om te zien of we niet alleen over mengsels in recente populaties kunnen leren, maar ook over deze mengsels in oude populaties, zegt hij. Zijn interesse leidde hem naar een postdoc met David Reich op de afdeling genetica van de Harvard Medical School.

Hoewel Sankararaman werkt aan de ontwikkeling van computermethoden, benadrukt hij het belang om verbonden te zijn met de experimentele actie. Na het afronden van zijn Ph.D. ging hij naar een genetisch bootcamp van 3 weken in Cold Spring Harbor, waar hij zijn handen vuil maakte met een paar natte laboratoriumexperimenten. Methoden moeten worden ontwikkeld in de nabijheid van de biologische vragen en de technologieën die deze vragen sturen, zegt hij. Dat is een zeer waardevolle expertise om te bouwen, uitzoeken wat de technologieën zijn, hun beperkingen, en het ontwikkelen van methoden die kunnen werken binnen de beperkingen van deze technologieën.

In november start hij zijn eigen onderzoeksgroep als universitair docent aan de afdeling informatica van UC Los Angeles. Hij is van plan om zowel oude als moderne sequenties te gebruiken om populatiegenetica en evolutie te onderzoeken. Naarmate de hoeveelheid beschikbare sequentiegegevens blijft groeien, denkt hij dat hij zijn werk voor hem moet doen.

Oud DNA is een echt waardevolle hulpbron die moet worden opgenomen in onze [genetische analyse] methoden, zegt hij. Bijvoorbeeld, in populatiegenetica hebben we modellen van menselijke populatiegeschiedenis gebouwd, en oud DNA geeft ons een manier om deze modellen te testen. Oude DNA wordt een integraal onderdeel van het verfijnen van die modellen, het testen en valideren ervan

Maar, zegt Sankararaman, er zijn nog steeds belangrijke problemen waarvoor we goede methoden nodig hebben . Nieuwe methoden die specifiek voor het oude DNA zijn ontwikkeld, kunnen onderzoekers bijvoorbeeld in staat stellen zowel de volgorde als de beschikbare informatie over de leeftijd van het monster in hun analyse om nauwkeurigere modellen van een evolutionair verleden van een soort te bouwen. Er is ook het feit dat de toegang tot oer-DNA vaak beperkt is, zodat onderzoekers soms slechts een of twee sequenties hebben om analyses uit te voeren om een ​​volledige populatie te vertegenwoordigen. Er moeten analytische benaderingen worden ontwikkeld die dergelijke beperkingen kunnen omzeilen. We hebben de gegevens, maar de methoden spelen inhaalslag, zegt hij. We zijn ver weg van methoden die echt alle informatie daarbuiten kunnen benutten. Er is nog veel interessant werk te doen .