Ένας αρχαιολόγος του γονιδιώματος: Svante Pääbo

Πάντα φανταζόμουν ότι οι αρχαιολόγοι βρίσκονται μέχρι τα γόνατα μέσα στη λάσπη, ανασύροντας οστά, θραύσματα αρχαίων δοχείων ή αρχαία κοσμήματα. Αλλά όταν γνώρισα τον Svante Pääbo, έναν «αρχαιολόγο του γονιδιώματος», δεν ήταν στη λάσπη αλλά και ούτε βρισκόμασταν έξω στην ύπαιθρο.

Αντ' αυτού, συναντηθήκαμε στο ολοκαίνουριο Προηγμένο Κέντρο Εκπαίδευσης στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας. Σχεδιασμένο για να αναπαριστά το μόριο του DNA, το κτίριο έχει δύο ελικοειδείς διαδρόμους γραφείων και γυάλινες γέφυρες διασύνδεσης που αναπαριστούν τους δεσμούς υδρογόνου ^w1.

Και ποια η σχέση μεταξύ DNA και αρχαιολογίας; «Κατά κάποιο τρόπο, εγώ και οι συνάδελφοί μου, κάνουμε ότι ακριβώς και οι αρχαιολόγοι,» εξηγεί ο Καθηγητής Pääbo. «Ανασκαφές όχι σε κάποιο παλαιό σπήλαιο, αλλά στο γονιδίωμά μας. Μελετάμε τις αλληλουχίες του ανθρώπινου DNA για ίχνη της προϊστορίας μας, για παράδειγμα, για να μάθουμε από πού ήρθαμε και πώς αλληλεπιδράσαμε με άλλες μορφές ανθρώπων».

Πώς, ρωτώ, ασχολήθηκε με αυτό το πεδίο της έρευνας; Εξηγεί ότι μια πρώιμη γοητεία για την Αίγυπτο, που ενισχύθηκε μετά από διακοπές με την μητέρα του στην περιοχή, τον οδήγησε να μελετήσει Αιγυπτιολογία στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα, στη Σουηδία. Εκεί ωστόσο, τα ρομαντικά του όνειρα διαψεύσθηκαν: «Μαθαίναμε για τις μορφές των αρχαίων Αιγυπτιακών γραμμάτων, αλλά δεν κάναμε εκσκαφές για μούμιες και πυραμίδες στην Αίγυπτο, όπως είχα φανταστεί». Απογοητευμένος, αποφάσισε να σπουδάσει ιατρική και τότε ξεκίνησε τη διδακτορική του διατριβή στη μοριακή ανοσολογία .

Όμως το δέλεαρ της Αιγύπτου ποτέ δεν εξαφανίστηκε. Στη δεκαετία του 1980, η αλληλούχιση του DNA μόλις ξεκινούσε. Σίγουρα, σκέφτηκε ο Svante Pääbo, κάποιος πρέπει να έχει προσπαθήσει να εξάγει και να αναλύσει DNA από αιγυπτιακές μούμιες; «Ήξερα από τις σπουδές μου στην Αιγυπτιολογία ότι υπάρχουν χιλιάδες μούμιες σε μουσεία και εκατοντάδες περισσότερες ανακαλύπτονται κάθε χρόνο στην Αίγυπτο.

Αλλά διαπίστωσα ότι δεν υπήρχε τίποτα στη βιβλιογραφία σχετικά με την απομόνωση DNA από αυτές, κι έτσι άρχισα να δουλεύω σε αυτό το πεδίο μόνος μου». Γνωρίζοντας πως ο επιβλέπων του διδακτορικού του δεν θα ενέκρινε αυτή την επιλογή, επιστράτευσε τη βοήθεια του προηγούμενου καθηγητή του της Αιγυπτιολογίας και μετέπειτα δούλευε στο εργαστήριο τα βράδια και τα Σαββατοκύριακα. Το αποτέλεσμα ήταν το όνειρο κάθε νέου επιστήμονα: μία δημοσίευση στο Nature (Pääbo, 1985).

Μετά το διδακτορικό του και την ισχύ της δημοσίευσής του στο Nature, ο Svante Pääbo μετακόμισε στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Berkeley, στις ΗΠΑ. Εκεί άρχισε να συνειδητοποιεί πόσο δύσκολο ήταν να αποφευχθεί η επιμόλυνση κατά την εργασία με τα αρχαία ανθρώπινα δείγματα – το DNA που είχε εξάγει από τις μούμιες ήταν πραγματικά αρχαίο Αιγυπτιακό DNA, ή είχε αλληλουχίσει του DNA προηγούμενων ανθρωπολόγων; Έτσι επικεντρώθηκε στην εξαγωγή DNA από άλλα αρχαία δείγματα, συμπεριλαμβανομένων και εκείνων του εξαφανισμένου μαρσιποφόρου λύκου και της moa – ενός γιγαντιαίου πτηνού που δεν μπορούσε να πετάξει.

Όταν το 1990 μετακόμισε στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου, στη Γερμανία, για να αναλάβει μια καθηγεσία στην ηλικία των 35 ετών, συνέχισε να εργάζεται στο DNA των αρχαίων οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων και των μαμούθ. Η έλευση της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (PCR), επέτρεψε στους επιστήμονες να αναπαράγουν γρήγορα δείγματα DNA και έτσι έγινε ευκολότερος ο έλεγχος για πιθανή επιμόλυνση του DNA, με το ‘τρέξιμο’ πολλών πανομοιότυπων πειραμάτων και με τη χρήση μαρτύρων δειγμάτων. Αυτό ενθάρρυνε τον Καθηγητή Pääbo να αρχίσει να εργάζονται ξανά με το αρχαίο ανθρώπινο DNA. Αυτή τη φορά, ήταν μέλος της ομάδας που μελετούσε το DNA ενός από τους αρχαίους Αιγυπτίους των σύγχρονων Ευρωπαίων: του «Ötzi », ένα σώμα ηλικίας 5000 ετών που βρέθηκε το 1991 διατηρημένο σε πάγο στις Άλπεις Ötztal, στα Αυστριακό-Ιταλικά σύνορα.

Εμπνευσμένος από την επιτυχία της έρευνας, η οποία έδειξε ότι το μιτοχονδριακό DNA του Ötzi (δείτε το παρακάτω διάγραμμα) ήταν πολύ παρόμοιο με εκείνο των σύγχρονων πληθυσμών της Κεντρικής και Βόρειας Ευρώπης (Handt et al.,1994), ο Svante Pääbo μεταφέρθηκε πιο πίσω στο χρόνο - περίπου 38000 χρόνια στο παρελθόν. Ήθελε να χρησιμοποιήσει την ανάλυση του DNA για να διερευνήσει την ανθρώπινη προέλευση.

«Μία από τις μεγάλες ιδέες σε αυτό το ερευνητικό πεδίο τα τελευταία 20 χρόνια, είναι ότι οι σύγχρονοι άνθρωποι προήλθαν από την Αφρική μάλλον πρόσφατα», εξηγεί ο Καθηγητής Pääbo. Αν και πολλοί λιγότεροι άνθρωποι ζουν στην Αφρική από ότι έξω από την Αφρική, «αν κοιτάξουμε τις παραλλαγές στις ανθρώπινες ακολουθίες DNA, διαπιστώνουμε ότι το μεγαλύτερο μέρος της ποικιλομορφίας υπάρχει στην Αφρική και όλοι εκτός Αφρικής είναι ένα υποσύνολο της εν λόγω παραλλαγής. Αποδεικνύεται ότι κατά τα τελευταία 100000 χρόνια, μια ομάδα Αφρικανών άφησε την Αφρική και αποίκησε τον υπόλοιπο κόσμο. Γι 'αυτό θα ήθελα να πω ότι από την οπτική της μοριακής γονιδιωματικής όλοι είμαστε Αφρικανοί∙ είτε ζούμε στην Αφρική ή έχουμε εξοριστεί πρόσφατα.»

Όμως οι σύγχρονοι άνθρωποι, Homo sapiens, δεν ήταν οι μόνοι άνθρωποι εκείνη τη χρονική περίοδο. Στην Ευρώπη και τη δυτική Ασία (η Εγγύς και η Μέση Ανατολή) πριν από περίπου 300000 έως 30000 περιφέρονταν οι συγγενείς μας: οι Νεάντερνταλ, Η. neanderthalensis. Από την ανακάλυψη του 1856 ορισμένων ανθρωπίνων οστών με περίεργη όψη στην Κοιλάδα Νεάντερ κοντά στο Ντίσελντορφ, στη Γερμανία, η διαμάχη μαίνεται γύρω από την τύχη των Νεάντερνταλ. Όταν οι σύγχρονοι άνθρωποι μετανάστευσαν από την Αφρική προς την Ευρώπη, σκότωσαν τους Νεάντερνταλ; Τους εξολόθρευσαν; Ή  διασταυρώθηκαν μαζί τους; Όταν οι Ευρωπαίοι δούμε μια εικόνα ενός Νεάντερνταλ, παρατηρούμε έναν από τους μακρινούς μας προγόνους; Ο Svante Pääbo και οι συνεργάτες του αποφάσισαν να το εξερευνήσουν, συγκρίνοντας DNA που είχε εξαχθεί τα οστά του 38000 ετών άνθρωπο του Νεάντερνταλ με δείγμα DNA από διάφορους πληθυσμούς των σύγχρονων ανθρώπων.

Τα αποτελέσματα ήταν συναρπαστικά: οι μη-Αφρικανοί σύγχρονοι άνθρωποι φέρουν κάποιες αλληλουχίες DNA που είναι παρόμοιες με τις αλληλουχίες του Νεάντερνταλ, αλλά δεν βρίσκονται σε Αφρικανούς. Στην πραγματικότητα, τα στοιχεία των επιστημόνων δείχνουν ότι μεταξύ 1% και 4% του γονιδιώματος των μη-Αφρικανών προέρχεται από τους Νεάντερνταλ (Noonan et al., 2006).

«Η απλούστερη εξήγηση είναι πως όταν οι σύγχρονοι άνθρωποι έφυγαν από την Αφρική, ήρθαν διαμέσου της Μέσης Ανατολής και στη συνέχεια μεταφέρθηκαν και αποίκισαν τον υπόλοιπο κόσμο. Στη Μέση Ανατολή, οι σύγχρονοι άνθρωποι διασταυρώθηκαν με τους Νεάντερνταλ, και οι απόγονοί του που έφεραν τις αλληλουχίες DNA των Νεάντερνταλ τις μετέφεραν στην Αυστραλία ή την Παπούα Νέα Γουινέα ή στους Αμερικάνους », εξηγεί ο Καθηγητής Pääbo. Μόνο οι πληθυσμοί της Αφρικής δεν επηρεάστηκαν (δείτε παρακάτω διάγραμμα).

«Το πιο συναρπαστικό για μένα είναι πως με την ανάλυση της αλληλουχίας του DNA, μπορούμε να απαντήσουμε ερωτήσεις τις οποίες δεν μπορούμε επιληφθούμε με την εξέταση των σκελετών των πρώτων ανθρώπων ή με τα λίθινα εργαλεία που άφησαν πίσω τους.»

Από το 1997, λόγω και της πρώιμης γοητείας του για την ανθρώπινη προέλευση, ο Καθηγητής Pääbo υπήρξε διευθυντής του Ινστιτούτου Μαξ Πλανκ για την Εξελικτική Ανθρωπολογία στη Λειψία, της Γερμανίας.

Εκεί, ερευνητές από τις επιστημονικά και ανθρωπιστικά πεδία διερευνούν την ιστορία της ανθρωπότητας, συγκρίνοντας τα γονίδια, τους πολιτισμούς, τις γνωστικές ικανότητες, τις γλώσσες και τα κοινωνικά συστήματα ανθρωπίνων πληθυσμών του παρόντος και του παρελθόντος, καθώς και αυτά των πρωτευόντων που συγγενεύουν στενά με τον άνθρωπο.

Πώς, τον ρωτάω, κάνει την έρευνά του; «Η δουλειά μου είναι στο εργαστήριο, αλλά συνεργαζόμαστε με τους ανθρώπους που ανασύρουν οστά ή με τους επιμελητές των μουσείων που δέχονται τα οστά. Και όλο και περισσότερο, γιατί μπορούμε να δούμε όχι μόνο σε μικρά τμήματα του DNA αλλά και σε ολόκληρο το γονιδίωμα, είναι ζωτικής σημασίας να αναλύουμε τα δεδομένα με υπολογιστές.» Ο "Svante Pääbo, ένας ερευνητής που εργάζεται στον πάγκο του εργαστηρίου, βρίσκει αυτή τη διαδικασία μερικές φορές απογοητευτική. «Δεν ξέρω πραγματικά τα μικρά μυστικά της βιοπληροφορικής κι έτσι είμαι στα χέρια των ανθρώπων που την κάνουν. Τώρα, όταν εκπαιδεύουμε τους φοιτητές μας, φροντίζουμε να μάθουν και τις δύο πλευρές: νέοι επιστήμονες που εργάζονται κυρίως με τους υπολογιστές θα πρέπει να περάσουν κάποιο χρονικό διάστημα στο εργαστήριο για να καταλάβουν τι συμβαίνει, και το αντίστροφο.»

@EIROforum: ESRF έρευνα

Μια από τις συναρπαστικότερες χρήσεις των ακτινών-Χ υψηλής ισχύος που παράγονται στο European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)^w2, είναι η μη-επεμβατική μελέτη των απολιθωμάτων. Ειδικότερα τα οδοντικά απολιθώματα περιέχουν ουσιώδεις πληροφορίες, δεδομένου ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να καθοριστεί η ακριβής ηλικία ενός νεαρού ατόμου όταν πέθανε: μετρώντας τις γραμμές καθημερινής ανάπτυξης στο σμάλτο των δοντιών.

Ένα αξιοσημείωτο εύρημα των πρόσφατων μελετών είναι ότι οι Νεάντερνταλ μεγάλωναν για την ενήλικη ζωή πολύ πιο γρήγορα από ό, τι οι σύγχρονοι άνθρωποι, Η. sapiens, συμπεριλαμβανομένων μερικών από τις πρώτες ομάδες που εγκατέλειψαν την Αφρική πριν από 90-100000 χρόνια. Το πρότυπο που βρέθηκε στους Νεάντερνταλ, Η. neanderthalensis, φαίνεται να είναι ενδιάμεσο μεταξύ σε αυτό που διαπιστώνεται στα πρώτα μέλη του γένους (π.χ. H. erectus) και τους σύγχρονους ανθρώπους (H. sapiens). Αυτό υποδηλώνει ότι η αργή ανάπτυξη και μακρά παιδική ηλικία είναι τα χαρακτηριστικά του Η. sapiens, και ότι το γένος Homo μετατοπίστηκε από μια πρωτόγονη κατάσταση «σύντομη ζωή και αναπαραγωγή σε νεαρή ηλικία» σε μία «αργή ανάπτυξη και μάθε από τη στρατηγική των γονέων σου», γεγονός που βοήθησε τους σύγχρονους ανθρώπους να επιτύχουν την τρέχουσα θέση τους στον πλανήτη μας.

Για να μάθετε περισσότερα, δείτε τα δελτία τύπου ^w3ή προστρέξτε στις πρωτότυπες ερευνητικές εργασίες: Macchiarelli et al. (2006) και Smith et al. (2010).

Το ESRF είναι ένα από τα μέλη του EIROforum ^w4, τον εκδότη του Science in School.

Επί του παρόντος, ο Καθηγητής Pääbo εργάζεται με έναν μακρύτερο, από τον Νεάντερνταλ, συγγενή του ανθρώπου. Και με την πρώτη ματιά, ο ίδιος και οι συνάδελφοί του είχαν πολύ λίγα για να συνεχίσουν: ακριβώς την άκρη ενός πολύ μικρού οστού δακτύλου, που βρέθηκε στη νότια Σιβηρία. Οι επιστήμονες γνώριζαν ότι το οστό ανήκε σε κάποιο είδος ανθρωπίδη - ή ανθρώπινη μορφή - αλλά αρχικά ήξεραν πολύ λίγα γι 'αυτό. Με τι φαίνεται να έμοιαζε; Πόσο διαδεδομένο ήταν; Θα μπορούσε να ήταν ένα είδος ανθρωπίδη που βρέθηκε ακριβώς απέναντι από την Ασία, ενώ οι Νεάντερνταλ είχαν περιοριστεί σε πιο δυτικές περιοχές;

Οι επιστήμονες άρχισαν με την αλληλούχιση του μιτοχονδριακού γονιδιώματος και διαπίστωσαν ότι ήταν πολύ διαφορετικό από εκείνες αμφότερων των σύγχρονων ανθρώπων και των Νεάντερνταλ. Συγκρίνοντας τις αλληλουχίες DNA των τριών ομάδων, ήταν σε θέση να εκτιμήσουν πόσο καιρό πριν, άρχισαν να εξελίσσουν τους διαφορετικούς δρόμους τους. (Για να μάθετε πώς θα το κάνετε αυτό στην τάξη, δείτε στο Kozlowski, 2010).

Παρότι ο τελευταίος κοινός πρόγονος των Νεάντερνταλ και των σύγχρονων ανθρώπων έζησε πριν από μισό εκατομμύριο χρόνια, το μυστήριο ανθρωποειδές αποκλίνει από την εποχή του Νεάντερνταλ-πρόγονο του ανθρώπου περίπου ένα εκατομμύριο χρόνια πριν. Αυτό το μικρό κομμάτι των οστών ανήκε πράγματι σε έναν πολύ μακρινό συγγενή του ανθρώπου.

Αυτή είναι η πρώτη φορά που ένα νέο ανθρωποειδές έχει περιγραφεί καθαρά με την αλληλουχία του DNA του αλλά, πιστεύει ο Svante Pääbo, τέτοιες αναλύσεις θα καταστούν όλο και πιο δημοφιλής. «Αυτό το μικρό θραύσμα οστού δεν έχει σχεδόν καμία πληροφορία σχετικά με το πώς έμοιαζε το άτομο, αλλά αν είναι αρκετά καλά διατηρημένο, το επόμενο βήμα μας θα είναι να ανακατασκευάσουμε το σύνολο του γονιδιώματος από αυτό. Νομίζω ότι στο μέλλον, θα περιγράφουμε πρόσφατα ανακαλυφθέντες οργανισμούς από το DNA τους, παρά από το πώς φαίνονταν».

Το άρθρο αυτό βασίζεται σε μια συνέντευξη με τον Svante Pääbo στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας τον Ιούνιο του 2010.