Los microbios son los mejores químicos de la naturaleza, y entre sus creaciones se encuentran una gran cantidad de antibióticos y otras drogas terapéuticas. La producción de estos complicados productos químicos naturales no es sencilla, y para hacerlo, las bacterias dependen de tipos especializados de genes que codifican la maquinaria enzimática capaz de producir tales productos químicos. En la actualidad, el estudio científico de los productos naturales microbianos se limita en gran medida a las bacterias vivas, pero dado que las bacterias han habitado la tierra durante más de 3 mil millones de años, existe una enorme diversidad de productos naturales del pasado, con potencial terapéutico, que siguen siendo desconocidos para nosotros, hasta ahora.
"En este estudio, hemos alcanzado un hito importante al revelar la gran diversidad genética y química de nuestro pasado microbiano", dijo la coautora principal Christina Warinner, profesora asociada de antropología en la Universidad de Harvard, líder de grupo en el Instituto Max Planck de Desarrollo Evolutivo, Antropología y líder de grupo afiliado en el Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de Infecciones. "Nuestro objetivo es trazar un camino para el descubrimiento de productos naturales antiguos e informar sobre sus posibles aplicaciones futuras", agregó el coautor principal Pierre Stallforth, profesor de química bioorgánica y paleobiotecnología en la Universidad Friedrich Schiller de Jena y director del Departamento de Paleobiotecnología, en el Instituto Leibniz.
Un rompecabezas de mil millones de piezas
Cuando un organismo muere, su ADN se degrada rápidamente y se fragmenta en multitud de pequeñas partes. Los científicos pueden identificar algunos de estos fragmentos de ADN comparándolos con las bases de datos, pero durante años, los arqueólogos microbianos han luchado con el hecho de que la mayoría del ADN antiguo no se puede comparar con nada de lo que se conoce hoy.
Este problema ha preocupado a los científicos durante mucho tiempo, pero los avances recientes en la informática, ahora hacen posible volver a unir los fragmentos de ADN, como las piezas de un rompecabezas, para reconstruir genes y genomas desconocidos. El único problema es que no funciona muy bien en ADN muy degradado y extremadamente corto del Pleistoceno. “Tuvimos que repensar completamente nuestro enfoque”, dice Alexander Hübner, investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Antropología Evolutiva y coautor principal del estudio. Tras tres años de pruebas y optimización, dice Hübner, lograron un gran avance, reconstruyeron tramos de ADN de más de 100.000 pares de base de longitud y la recuperación de una amplia gama de genes y genomas antiguos.
Explorando el paleolítico microbiano
El equipo se centró en la reconstrucción de genomas bacterianos encerrados en el cálculo dental, también conocido como sarro dental, de 12 neandertales que datan de hace 102,000–40,000 años, 34 restos humanos que datan de hace 30.000–150 años y 18 humanos actuales. El sarro dental es la única parte del cuerpo que se fosiliza rutinariamente durante la vida, convirtiendo la placa dental viva en un cementerio de bacterias mineralizadas. Los investigadores reconstruyeron numerosas especies de bacterias orales, así como otras especies más exóticas cuyos genomas no habían sido descritos antes.
Entre ellos se encontraba un miembro desconocido de Chlorobium, cuyo ADN altamente dañado mostraba las características de la edad avanzada, y que se encontró en el cálculo dental de siete humanos paleolíticos y neandertales. Se encontró que los siete genomas de Chlorobium contenían un grupo de genes biosintéticos de función desconocida. "El cálculo dental de la Dama Roja de El Mirón, España, de 19,000 años de antigüedad, arrojó un genoma de Chlorobium particularmente bien conservado", dijo Anan Ibrahim, investigadora postdoctoral en el Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de Infecciones y coautora principal del estudio. “Después de haber descubierto estos enigmáticos genes antiguos, queríamos llevarlos al laboratorio para descubrir qué hacen”.
El equipo utilizó las herramientas de la biotecnología molecular sintética para permitir que las bacterias vivas produjeran las sustancias químicas codificadas por los genes antiguos. Esta fue la primera vez que este enfoque se aplicó con éxito a bacterias antiguas y dio como resultado el descubrimiento de una nueva familia de productos naturales microbianos que los investigadores denominaron "paleofuranos". “Este es el primer paso para acceder a la diversidad química oculta de los microbios del pasado de la Tierra, y agrega una nueva y emocionante dimensión temporal al descubrimiento de productos naturales”, dijo Martin Klapper, investigador postdoctoral en el Instituto Leibniz y coautor principal del estudio.
Fundan un nuevo campo de estudio
El éxito del estudio es el resultado directo de una ambiciosa colaboración entre arqueólogos, bioinformáticos, biólogos moleculares y químicos para superar las barreras tecnológicas y disciplinarias y abrir nuevos caminos científicos. “Con fondos de la Fundación Werner Siemens, nos propusimos construir puentes entre las humanidades y las ciencias naturales”, dice Pierre Stallforth. “Al trabajar en colaboración, pudimos desarrollar las tecnologías necesarias para recrear moléculas producidas hace cien mil años”, dice Christina Warinner. Mirando hacia el futuro, el equipo espera utilizar la técnica para encontrar nuevos antibióticos.