Co nam powie DNA z muzealnych kolekcji

DNA organizmów przechowywanych w muzeach i zielnikach może powiedzieć wiele np. o ewolucji gatunków. Z czasem ulega ono degradacji i wykorzystanie tej informacji staje się coraz trudniejsze.

Naukowcy znaleźli metodę na szybkie i tanie wyłowienie fragmentów zniszczonego DNA i namnożenie ich. Dzięki niej odczytają np., jak klimat kształtował rozmieszczenie gatunków na Ziemi.

W zielnikach i zbiorach muzealnych na całym świecie znajdują się miliony okazów zwierząt, grzybów i roślin. Zbierane przez stulecia często pochodzą z bardzo odległych i trudno dostępnych rejonów świata. Zawierają też np. okazy przedstawicieli gatunków wymarłych w naturze. - W naszym Instytucie mamy około miliona opisanych, zabezpieczonych obiektów biologicznych, które są przechowywane w zielnikach. Potencjalnie mogą być one dostępne do badań - mówi PAP dr hab. Michał Ronikier z Instytutu Botaniki im. W. Szafera Polskiej Akademii Nauk.

Zgromadzone w ten sposób zbiory mogą stanowić cenne źródło informacji np. o ewolucji gatunków, biogeografii czy historycznych procesach zachodzących w populacjach. Jednak badanie materiału genetycznego z takich muzealnych okazów długo było dla naukowców sporym problemem. - DNA zawarte w takich obumarłych komórkach z czasem podlega degradacji. Pierwotnie długie molekuły nieuchronnie rozpadają się na mniejsze fragmenty. Wskutek tego zmniejsza się zarówno stężenie DNA w takim obiekcie i ciągłość dostępnej informacji, która jest w DNA zapisana. To mniej więcej tak, jak z niektórymi starymi księgami, w których z czasem kartka papieru rozpada się na drobniutkie kawałki. Im drobniejsze są te kawałki, tym trudniej wyciągnąć z nich później sensowną informację - opisuje rozmówca PAP.

Metody analiz DNA od ponad 30 lat podlegają jednak ciągłej ewolucji. - W ostatnich latach w tej dziedzinie nastąpił nieprawdopodobny jakościowy skok. Jest on związany z powszechnym wprowadzeniem tzw. technologii sekwencjonowania nowej generacji. W klasycznym sekwencjonowaniu, które jest stosowane od dziesiątków lat, możliwe jest uzyskanie sekwencji pojedynczych fragmentów DNA z genomu i to pod warunkiem występowania w próbce znacznej liczby niezdegradowanych kopii oczekiwanego fragmentu. Sekwencjonowanie nowej generacji pozwala natomiast na uzyskanie informacji z setek tysięcy albo milionów miejsc w genomie, a nawet sekwencjonowania całego genomu dowolnego gatunku czy osobnika - opisuje dr Ronikier.

Naukowcy z krakowskiego Instytutu wspólnie z grupą badawczą dr. N. Alvareza z Uniwersytetu w Lozannie opracowali nową metodę badania zmienności genomu o nazwie hyRAD (hybridization RAD). Umożliwia ona analizę DNA genomowego zarówno w materiałach niezdegradowanych, jak i zdegradowanych oraz - jak podkreśla dr Ronikier - jest stosunkowo niedroga.

- Poprzez możliwość wykorzystania w badaniach materiałów muzealnych na szeroką skalę nasza metoda pozwala na uzyskanie informacji unikatowych, które niezwykle trudno byłoby uzyskać innymi metodami i na podstawie innych źródeł. Kompleksowa analiza zmienności DNA na dużym materiale biologicznym umożliwia zdobycie informacji o historii ewolucyjnej badanych gatunków czy ich biogeografii, czyli powstawaniu i dynamice zmian zasięgów geograficznych. Mając te dane możemy zrozumieć, jak ewoluowały gatunki, jak na ich rozmieszczenie na Ziemi wpływały zmiany klimatu. W naszym projekcie zajmujemy się roślinami, grzybami i owadami, ale metodę hyRAD można zastosować dla wszelkiego typu organizmów - mówi dr Ronikier.

Punktem wyjścia do badań z wykorzystaniem nowej metody jest izolacja niezdegradowanego DNA ze "świeżych" prób badanego gatunku. Ten zbiór fragmentów DNA stanowi tzw. bibliotekę genomową - punkt odniesienia do badań materiału muzealnego. Takie fragmenty naukowcy przekształcają później w tzw. sondy molekularne. - Pozwolą nam one na selektywne wyłapanie oczekiwanych przez nas fragmentów z tego mocno zdegradowanego genomu, bez jego wcześniejszej znajomości - opisuje dr Ronikier.

W drugiej fazie eksperymentu modyfikowane są niewielkie, zdegradowane fragmenty DNA wyselekcjonowane z prób muzealnych. Na obydwu końcach tych fragmentów naukowcy dołączają w szeregu reakcji dodatkowe kawałki DNA, które pozwolą im później powielić te fragmenty genomu.

- W trzeciej fazie prowadzimy hybrydyzację - do roztworu z naszymi sondami molekularnymi dodajemy zmodyfikowane - zdegradowane DNA z prób muzealnych. Wszystkie fragmenty DNA, które będą "pasowały" do naszych sond będą przez nie "aktywnie" wyłapane, na zasadzie naturalnego powinowactwa nici DNA, nawet jeśli znajdą się w roztworze w bardzo niewielkim stężeniu. Potem złapane fragmenty możemy choćby z pojedynczych nici DNA namnożyć i sekwencjonować. Taka procedura pozwala nam w różnych próbach, o różnym stopniu degradacji DNA, uzyskać zbliżone, porównywalne zestawy fragmentów do sekwencjonowania, obchodząc niejako szereg dotychczasowych zasadniczych problemów metodycznych - mówi naukowiec.

Choć metoda wymaga wykorzystania DNA gatunku żyjącego obecnie, to umożliwia też prowadzenie badań z wykorzystaniem okazów gatunków wymarłych. - Jako źródła fragmentów referencyjnych możemy w takiej sytuacji użyć możliwe najbliższego, najbliżej spokrewnionego gatunku żyjącego obecnie. Na tej bazie możemy wyciągnąć fragmenty homologiczne, z gatunku spokrewnionego - podkreśla.

Badania Instytutu Botaniki im. W. Szafera PAN i Uniwersytetu w Lozannie prowadzono w ramach projektu Polsko-Szwajcarskiego Programu Badawczego. Ich głównym wykonawcą był dr Tomasz Suchan, który zrealizował część swojego doktoratu właśnie w ramach tej polsko-szwajcarskiej współpracy. Jest to etap prac poświęconych ewolucji i biogeografii organizmów siedlisk arktyczno-alpejskich z wykorzystaniem technologii sekwencjonowania nowej generacji. Najważniejszym gatunkiem, który badają naukowcy jest dębik ośmiopłatkowy - jeden z kluczowych gatunków tworzących ekosystemy arktyczne i alpejskie. - Badamy system ekologiczny: powiązany z dębikiem ośmiopłatkowym gatunek grzyba i motyla. Staramy się poznać historyczne powiązania ewolucyjne między nimi i sprawdzamy m.in. czy migrowały one spójnie, czy ich zasięg zmieniał się w powiązaniu ze sobą - wyjaśnił dr Ronikier.

Publikacja na temat nowej metody badania zmienności genomu ukazała się w prestiżowym amerykańskim czasopiśmie PLOS ONE.

PAP - Nauka w Polsce