מחקר שיתופי חשף מבני כרומוזומים עתיקים שהשתמרו בממותה צמרית בת 52,000 שנה, וסיפק תובנות חסרות תקדים לגבי הגנטיקה שלה והתנאים שאפשרו שימור כזה, תוך הקבלה לטכניקות מזון מיובש בהקפאה.
פריצת דרך מאפשרת כעת להרכיב את הגנום של מינים שנכחדו.
צוות של מדענים ממכללת ביילור לרפואה, אוניברסיטת קופנהגן, והמרכז הלאומי של אנליסי ג'נומיקה והמרכז לרגולציה גנומית גילו מאובנים של כרומוזומים עתיקים בשרידי ממותה צמרית שמתה לפני 52,000 שנה. מאובנים אלה משמרים את מבנה הכרומוזומים העתיקים בקנה מידה ננומטרי – מיליארדיות המטר. התגלית מופיעה על השער של תָא.
"ידענו שקטעים זעירים של עתיקות DNA יכול לשרוד לפרקי זמן ארוכים", אמרה ד"ר מרסלה סנדובל-ולסקו מהמרכז להולוגנומיה אבולוציונית באוניברסיטת קופנהגן והחברה הראשונה של המחקר החדש. "אבל מה שמצאנו כאן הוא דגימה שבה הסידור התלת מימדי של שברי ה-DNA הללו הוקפא במקום במשך עשרות אלפי שנים, ובכך שימר את המבנה של הכרומוזום כולו."
כלים מהפכניים למחקר גנטי
כרומוזומים מאובנים הם כלי חדש ועוצמתי לחקר ההיסטוריה של החיים על פני כדור הארץ. הסיבה לכך היא שקטעי DNA עתיקים טיפוסיים הם לעתים רחוקות יותר מ-100 זוגות בסיסים, או 100 אותיות של הקוד הגנטי – קטן בהרבה מרצף ה-DNA המלא של אורגניזם, שאורכו לרוב מיליארדי אותיות. לעומת זאת, כרומוזומי מאובנים יכולים להשתרע על פני מאות מיליוני אותיות גנטיות.
"על ידי השוואת מולקולות DNA עתיקות יומין לרצפי ה-DNA של מודרני מִין, אפשר למצוא מקרים שבהם האותיות הבודדות של הקוד הגנטי השתנו", אמרה הסופרת הראשונה והמשתתפת, ד"ר אולגה דודצ'נקו, עוזרת פרופסור לגנטיקה מולקולרית ואנושית במרכז לארכיטקטורת הגנום במכללת ביילור לרפואה. חוקר בכיר במרכז לפיזיקה ביולוגית תיאורטית באוניברסיטת רייס. "כרומוזומים מאובנים הם מחליפים משחק מכיוון שהכרת צורת הכרומוזומים של האורגניזם מאפשרת להרכיב את כל רצף ה-DNA של יצורים שנכחדו. זה מאפשר את סוגי התובנות שלא היו מתאפשרות קודם לכן".
מכיוון שהכרומוזומים המאובנים הגיעו מממותה, אחד הדברים הראשונים שהצוות עשה היה לקבוע את מספר הכרומוזומים שיש לממותה הצמרית. "מצאנו שיש להם 28 זוגות כרומוזומים, וזה הגיוני מאוד, כי זה מה שיש לפילים מודרניים, והם קרובי משפחתה הקרובים ביותר של הממותה הצמרית", אמר ד"ר חואן אנטוניו רודריגז, מחברו הראשון של המחקר. וחוקר באוניברסיטת קופנהגן ובמרכז נסיונל ד'אנליסי ג'נומיקה בברצלונה, ספרד. "זה היה מרגש ביותר להיות מסוגל לספור את הכרומוזומים של יצור שנכחד בפעם הראשונה. בדרך כלל אי אפשר להנות כל כך פשוט לספור מאחד עד 28".
תובנות לגבי גנטיקה של מאמות'
על ידי בחינת כרומוזומי המאובנים, שמקורם בעור הממותה, ניתן היה לראות אילו גנים פעילים. הסיבה לכך היא תופעה הנקראת מידור כרומוזומים – העובדה ש-DNA פעיל ולא פעיל נוטה להפרד לשתי שכונות מרחביות בתוך גרעין התא. עבור רוב הגנים, מצב הפעילות תואם את מה שראו החוקרים בעור הפיל המודרני. אבל לא תמיד.
"השאלה המתבקשת עבורנו הייתה: מדוע היא 'ממותה צמרית'? למה זו לא 'ממותה קירחת להחריד'?" אמר ד"ר תומס גילברט, מנהל המרכז להולוגנומיקה ומחבר משותף של המאמר. "העובדה שהמידור עדיין נשמר במאובנים הללו הייתה קריטית, משום שהיא אפשרה לראות, לראשונה, אילו גנים פעילים בממותה צמרית. ומסתבר שיש גנים מרכזיים המווסתים את התפתחות זקיקי השיער שדפוס הפעילות שלהם שונה לחלוטין מאשר אצל פילים".
החוקרים ראו יותר מסתם מידור בצורת הכרומוזומים העתיקים הללו. למעשה, הכרומוזומים חלקו תכונות מבניות רבות עם כרומוזומים מודרניים. המרהיב ביותר מבין התכונות הללו היה גם הקטנטן ביותר: לולאות כרומטין, מבנים קטנים עד 50 ננומטר שצוות ביילור מיפה בבני אדם, לראשונה, רק לפני 10 שנים.
"הישרדותן של לולאות בכרומוזומים העתיקים הללו היא אולי החלק המרשים ביותר", אמר פרופסור המחקר של ICREA, מארק א. מרטי-רנום, מחבר שותף למחקר ומנהיג קבוצות ב-Center Nacional d'Anàlisi Genòmica, כמו גם המרכז לרגולציה גנומית, שניהם בברצלונה, ספרד. "לולאות DNA, שגודלן רק 50 ננומטר, חשובות מכיוון שהן מקרבות את רצפי ה-DNA המפעילים למטרות הגנים שלהם. אז, המאובנים האלה לא רק מראים לנו אילו גנים היו פעילים – הם מראים לנו למה."
אולם החוקרים נותרו עם חידה: כיצד יכלו שברי ה-DNA של כרומוזומים עתיקים לשרוד במשך 52,000 שנים עם המבנה התלת מימדי שלהם ללא פגע? אחרי הכל, בשנת 1905 – ה'אנוס מיראביליס' שלו, או 'שנת הנס' שלו – פרסם אלברט איינשטיין מאמר קלאסי שחישב באיזו מהירות חלקיקים קטנים, כמו פיסות DNA, נוטים לנוע דרך חומר. "עבודתו של איינשטיין עושה תחזית פשוטה מאוד לגבי מאובני כרומוזומים: בנסיבות רגילות, הם לא צריכים להתקיים", אמר דודצ'נקו. "ובכל זאת: הנה הם. זו הייתה תעלומה של פיזיקה!"
פתרון פאזל פרהיסטורי
כדי להסביר את הסתירה לכאורה הזו, החוקרים הבינו שמאובני הכרומוזומים נמצאים במצב מיוחד מאוד, הדומה מאוד למצב של מולקולות בזכוכית. "כרומוגלס דומה מאוד לזכוכית בחלון שלך: זה קשיח, אבל זה לא גביש מסודר", אמר ד"ר ארז ליברמן איידן, מחבר שותף למחקר, מנהל המרכז לארכיטקטורת הגנום ופרופסור בביילור בית ספר לרפואה. "אם אתה מתקרב לחלקיקים הבודדים, חתיכת זכוכית – או חתיכת כרומוגלאס – היא בעצם פקק תנועה בקנה מידה ננו של פגוש לפגוש, בעולם ללא סימון נתיבים. חלקיקים בודדים, או שברים בודדים של DNA עתיק, פשוט לא יכולים לזוז רחוק מאוד במצב הזה. גם אם תחכה אלפי ואלפי שנים".
הרעיון ששרידי הממותה, שנחשפו בשנת 2018 בפרמפרפר בסיביר, נשמרו במצב דמוי זכוכית אינו כה מופרך. מבלי לשים לב, ציוויליזציות רבות פיתחו דרכים לגרום ל"מעבר זכוכית" במזון שלהן כדרך לשמר אותו, בדרך כלל על ידי שילוב של קירור והתייבשות. זה הביא למזונות, כמו צ'יפס טורטיה וג'רקי בקר – שהם יותר שבירים מהמזון המקורי, אבל שמחזיקים מעמד הרבה יותר זמן. וזו הסיבה שמעבר הזכוכית הפך למושג מפתח עבור מדעני מזון מודרניים. בעיקרו של דבר, החוקרים גילו שמאובני הכרומוזומים נלכדו בתוך פיסת ממותה צמרית מיובשת בהקפאה.
"איששנו את התיאוריה הזו על ידי ניסויים על בשר בקר ישן ומיובש בהקפאה, שהרבה יותר קל למצוא אותו מאשר ג'יקי ממותה צמרית", הסבירה ד"ר סינתיה פרז אסטרדה, מחברת ראשית המחקר וחוקרת במרכז ל אדריכלות הגנום ובמרכז לפיזיקה ביולוגית תיאורטית של אוניברסיטת רייס. "ירינו על זה ברובה ציד. דרסנו את זה עם מכונית. היה לנו מגיש התחלתי לשעבר של יוסטון אסטרוס שזרק עליו כדור מהיר. בכל פעם, הקפיץ נשבר לחתיכות זעירות – התנפץ כמו כוס. אבל בקנה מידה ננו, הכרומוזומים היו שלמים, ללא שינוי. זו הסיבה שהמאבנים האלה יכולים לשרוד. זו הסיבה שהם היו שם, 52,000 שנים מאוחר יותר, רק חיכו שנמצא אותם".
למידע נוסף על מחקר זה, ראה חשיפת גנום הממותה הצמרית עם טכנולוגיית DNA פורצת דרך.
