• Sunday June 16,2019

Proteomica: oltrepassare il DNA per studiare il passato

Anonim

Le proteine ​​complessamente piegate possono essere conservate in fossili e su artefatti molto più a lungo del DNA antico.

Cynthia Schroeder; sfondo: Galkin Grigory / Shutterstock

Prima sono arrivati ​​i fossili. Assemblati, abbozzati e misurati, le ossa hanno offerto il nostro primo sguardo ai lontani antenati. Ma era solo un assaggio. Anche con le scansioni ad altissima risoluzione odierne, i ricercatori si limitano a studiare le strutture e le forme che possono vedere.

Poi è arrivata l'estrazione e il sequenziamento del DNA antico (aDNA), che è avanzato ad un ritmo sorprendente. I genomi di centinaia di migliaia di anni possono ora essere letti, almeno in parte; L'aDNA ha scoperto un nuovo membro del nostro albero genealogico, i Denisovani, e ha rivelato come la nostra specie si è incrociata con entrambi e con i Neanderthal.

Ma il codice genetico è fragile e soggetto a contaminazione e degradazione microbica nel tempo. I ricercatori hanno il potenziale per trovare un DNA, anche da un sito ideale, a non più di un milione di anni.

Le proteine ​​antiche, tuttavia, offrono la precisione a livello molecolare dell'DNNA con la robusta longevità di un osso fossilizzato. Potrebbero essere la chiave per svelare i segreti del nostro passato.

Il potere della proteina

Lo studio delle antiche proteine, la paleoproteomica è un campo interdisciplinare emergente che attinge dalla chimica e dalla biologia molecolare tanto quanto la paleontologia, la paleoantropologia e l'archeologia. Le sue applicazioni per comprendere l'evoluzione umana sono ampie: uno studio del 2016 ha utilizzato antico collagene, una proteina comune, per determinare frammenti di ossa altrimenti non identificabili come Neanderthal; un altro ha identificato quali animali sono stati macellati in un'oasi del deserto 250.000 anni fa a base di residui proteici incorporati in strumenti di pietra.

Nel 2015, il pioniere di ZooMS Matthew Collins (a sinistra) e colleghi hanno usato antiche proteine ​​per classificare diversi animali sudamericani estinti che avevano lasciato perplessi la scienza da quando Charles Darwin ha raccolto per la prima volta alcuni dei loro fossili.

Denis FinNin / AMNH, per gentile concessione della Danish National Research Foundation

La ricerca paleoproteomica può anche costruire alberi genealogici evolutivi basati su proteine ​​condivise o simili e rivelare aspetti della fisiologia di un individuo al di là di ciò che l'aNA potrebbe dirci.

"Ogni cellula del nostro corpo ha lo stesso piano genetico", afferma l'antropologo evoluzionista Frido Welker del Max Planck Institute di Lipsia, in Germania. "Se guardassi una cellula del fegato dal mio corpo e una cellula neuronale dal mio cervello, il DNA sarebbe identico, ma le cellule stesse sarebbero molto diverse perché sono composte da diverse proteine. Le diverse proteine ​​sono le cose che ci fanno lavorare come animali. "

O, come dice il pioniere della paleoproteomica Matthew Collins: "Il DNA è come l' Enciclopedia Britannica : contiene quasi tutto, tutte le informazioni in esso contenute. Le proteine ​​sono più simili a giornali economici da buttar via che spiegano cosa sta succedendo in quel momento, e ripetendolo ripetutamente mentre succede ancora e ancora. "

Grazie ad antiche proteine ​​che sopravvivono molto più a lungo dell'ADNA, a gennaio una squadra ha affermato di aver trovato tracce di collagene in un fossile di dinosauro che ha 195 milioni di anni - i ricercatori sono in grado di leggere quei economici giornali molecolari dai tempi profondi.

Chi è lo zoom Chi?

Le radici della paleoproteomica in realtà precedono il suo campo gemello, la paleogenomica. Negli anni '30, gli archeologi tentarono (con scarso successo) di determinare i tipi di sangue delle mummie identificando le proteine ​​con analisi immunologiche, che testavano le reazioni antigene-anticorpo.

Un paio di decenni più tardi, i geochimici hanno scoperto che gli amminoacidi, gli elementi costitutivi delle proteine, potevano sopravvivere nei fossili per milioni di anni. Ma non è stato fino a questo secolo che la paleoproteomica si è affermata come una robusta area di ricerca.

Nel 2000, i ricercatori hanno identificato le proteine ​​nei fossili usando un tipo di spettrometro di massa che, a differenza dei metodi precedenti, ha lasciato sequenze di amminoacidi più intatte e leggibili. Gran parte della ricerca di oggi utilizza una versione raffinata di questo metodo: zooarcheologia mediante spettrometria di massa (ZooMS). Creato da Collins e colleghi e riportato per la prima volta nel 2008, ZooMS utilizza tipicamente il collagene estratto da un fossile. A differenza della costosa ricerca di aDNA che può richiedere anni per essere completata, ZooMS è veloce quanto il suo acronimo implica. Ha un turnaround di circa 24 ore per i risultati ed è significativamente più economico.

In ZooMS, i campioni di fossili, in genere le dimensioni di un pangrattato, vengono elaborati in un modo che estrae le proteine, svolge le loro strutture piegate e le sminuzza. I pezzi vengono applicati a un cromatografo liquido, che li separa. L'applicazione, tra l'altro, "è la stessa tecnica utilizzata per dipingere le automobili nelle fabbriche", dice Timothy Cleland, un paleontologo molecolare dello Smithsonian Institution che utilizza ZooMS. "Elettrificano le parti da dipingere e poi, quando spruzzano la vernice, le goccioline vengono tirate sulle parti. Sebbene il nostro sia un processo molto più piccolo, su scala nanometrica. "

Frammentati e separati, i bit di proteine ​​vengono quindi inseriti in spettrometri di massa. "Ogni amminoacido ha un peso diverso, e quando lo spettrometro di massa si rompe (i frammenti), misura anche il peso", afferma Welker. "Questo ci dice quali amminoacidi erano originariamente presenti."

I ricercatori alimentano tali dati grezzi in programmi che corrispondono a sequenze di proteine ​​per costruire un profilo di specie.

L'uso di ZooMS è decollato mentre gli scienziati testano fino a che punto la tecnica può portarli. Cleland, ad esempio, è stato in grado di identificare le proteine ​​di un teschio gigante di 12.000 anni seduto in una collezione di musei dal 1845. I suoi risultati suggeriscono che ZooMS può essere utilizzato per analizzare materiale che è stato archiviato per decenni e persino secoli.

April Nowell, un'archeologa dell'Università di Victoria, ha guidato una squadra che ha identificato residui di proteine ​​su strumenti usati per macellare animali 250.000 anni fa in un sito in Giordania.

April Nowell

E nel 2016, Welker, Collins e colleghi hanno usato ZooMS per determinare che frammenti di ossa altrimenti non identificabili nella grotta francese di Grotte du Renne appartenevano ai Neanderthal, stabilendo un dibattito su quale membro di Homo occupasse il sito circa 40.000 anni fa. Dato quanto siano strettamente correlati i Neanderthal alla nostra specie, la capacità dei ricercatori di identificare una singola sequenza proteica specifica per i nostri cugini evolutivi è sorprendente.

ZooMS non è una metodologia perfetta. Analizzare le proteine ​​all'interno di un fossile richiede la distruzione di un pezzo dell'esemplare, qualcosa di impensabile per i preziosi resti di ominidi antichi.

Ecco perché le applicazioni più significative per ZooMS possono essere identificare fossili frammentari e imparare di più sugli antichi ambienti degli ominidi, specialmente quelli che hanno creato. Nel 2016, Collins e colleghi hanno pubblicato prove di proteine ​​su gusci di struzzo che avevano quasi 4 milioni di anni - la connessione all'evoluzione umana potrebbe non essere immediatamente evidente, ma questi gusci sono stati usati dagli ominidi per milioni di anni per trasportare acqua e altre risorse . Le umili navi ad hoc possono contenere molti segreti sui nostri antenati.

Collins dice che è anche entusiasta di altri gruppi che producono studi paleoproteomici sull'arte delle caverne: la ricerca può aiutarci a capire in che modo i primi ominidi hanno creato vernici aggiungendo agenti leganti all'ocra e ad altri materiali, il che suggerisce il loro processo cognitivo.

"Non è solo quello che le sequenze ci diranno di noi. Ci sono altre cose da imparare su come gli esseri umani hanno creato le cose ", dice Collins.

Anatra, anatra, rinoceronte

Un altro metodo in paleoproteomica è particolarmente prezioso per comprendere l'ambiente dei primi ominidi. Come ZooMS, l'immunoelettroforesi incrociata (CIEP) è veloce - i ricercatori ottengono risultati in due o tre giorni - e meno costosi del sequenziamento di aDNA. E i risultati di CIEP possono essere altrettanto sbalorditivi.

Nel 2016, un team guidato dall'archeologo dell'Università di Victoria April Nowell e dalla sua collega Cam Walker, un'antropologa biologica con Archeological Investigations Northwest Inc. a Portland, Oregon, ha utilizzato il CIEP per analizzare gli strumenti trovati in un sito di lavorazione di animali di 250.000 anni fa in Giordania Shishan Marsh. I ricercatori hanno identificato sei specie di animali macellati nel sito da residui di proteine ​​su 20 degli strumenti.

April Nowell

James Pokines

"È la prima prova diretta di come sono stati utilizzati gli strumenti", afferma Nowell. "Tutto ad un tratto, una ricchezza di informazioni è sbloccata."

Rilevare le specie con residui proteici su strumenti di pietra è particolarmente importante per siti di una volta, come Shishan, che non favoriscono la conservazione delle ossa.

Sebbene gli scavi di Shishan debbano ancora determinare quali specie di ominidi erano presenti nel sito, la squadra di Nowell ha scoperto che stavano mangiando di tutto, dall'elefante asiatico e dal rinoceronte all'anatra. La diversità mette in luce le capacità cognitive degli ominidi e la capacità di cacciare specie molto diverse.

"Ci dice molto sulla loro complessità sociale, sulla loro tecnologia", dice Nowell. "Non vai dietro a un'anatra nello stesso modo in cui vai dopo un rinoceronte."

A differenza di ZooMS, CIEP è non invasivo e non distruttivo. I ricercatori applicano su siero di sangue ricco di anticorpi o antisiero, prendendo di mira un antigene specifico - per esempio, quello trovato in un rinoceronte - al campione che stanno testando. Se il campione contiene proteine ​​del rinoceronte, avranno una reazione.

Sfortunatamente, i ricercatori si limitano a usare antisieri raccolti da specie viventi. Questo è il motivo per cui il CIEP si identifica tipicamente dalla famiglia piuttosto che dal genere; il genere è dedotto più avanti durante lo studio basato sulla conoscenza degli animali presenti in quel momento e luogo nella documentazione fossile.

"Stiamo usando i taxa moderni per trovare paleotaxa. Se qualcosa non ha lasciato discendenti, non lo troveremo ", dice Nowell.

Ma il vero problema con CIEP, sostengono alcuni critici, è più basilare.

"Le proteine ​​sono costituite da una serie di aminoacidi che si piegano in una catena in una struttura specifica per quella proteina", afferma l'archeologo biomolecolare dell'Università di Manchester, Terry Brown. CIEP e metodi immunologici simili "si basano sul rilevamento di proteine ​​mediante l'uso di anticorpi che riconoscono la proteina per forma. Se si svolgono, gli anticorpi non possono identificarli con precisione. "

Il coautore dello studio di Shishan Walker, tuttavia, respinge questa preoccupazione. Dice che un tasso di rilevamento di circa il 5-10% è tipico quando si cercano residui di proteine ​​sugli artefatti, ma è sicuro di questi risultati. Walker sottopone a test ogni antisiero con campioni di altre specie per assicurarsi che identifichi solo le proteine ​​del bersaglio, piuttosto che fornire risultati falsi positivi.

"Certo, le proteine ​​si degradano e lo spiegamento può far parte di quel processo", ha spiegato Walker via e-mail, "[ma] non è necessario che una proteina sia completa per essere rilevata".

Dolori crescenti

Come in ogni campo giovane della scienza, ci sono sempre più dolori. I ricercatori che usano ZooMS tendono a mettere in dubbio l'accuratezza di CIEP; I sostenitori del CIEP sottolineano la natura distruttiva di ZooMS.

Mentre Collins dice che "non è un grande fan del CIEP", apprezza anche che una maggiore collaborazione tra i sostenitori di vari approcci sarebbe una vittoria per tutti. "In tutto il campo, ognuno di noi ha il nostro martello - ZooMS, DNA antico - e per noi tutto sembra un chiodo", dice Collins.

Mentre i ricercatori spingono i limiti dell'analisi delle proteine ​​antiche, è possibile che emergano metodi più raffinati di ZooMS o CIEP.

"Siamo un campo così nuovo", afferma Cleland. "Stiamo solo grattando la superficie di ciò che possiamo fare e ciò che possiamo imparare".

[Questo post è apparso originariamente in stampa come "Oltre il DNA. "]


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