Ученые из Южного федерального университета создали способ, благодаря которому можно в течение нескольких часов и с небольшими финансовыми вложениями установить, содержится ли в древних костных фрагментах генетический материал, подходящий для генетического исследования.
Исследователи определили, как количество органического углерода в костной ткани влияет на вероятность успешного извлечения и секвенирования древней ДНК. Данный метод позволит генеалогам во всем мире оптимизировать использование времени и средств, выбирая для дорогостоящих анализов только наиболее подходящие экземпляры.
Примерно 16 килограммов углерода содержится в каждом из нас. Этот элемент лежит в основе наших клеток, ДНК и белков. После смерти в земле остаются кости, в которых сохраняются молекулы – остатки углерода, из которого когда-то сформировалась жизнь. Задача современной палеогенетики заключается в извлечении этих молекул, «чтении» их и восстановлении истории давно ушедших людей. Однако спустя столетия определить, сохранилась ли в древних останках ДНК, подходящая для анализа, — сложная задача.
Ученые отмечают, что изучение древней ДНК – это всегда непредсказуемое занятие. За столетия и тысячелетия молекулы нуклеиновых кислот подвергаются разрушению, фрагментации и химическим изменениям. Даже при хорошем внешнем виде образца нет гарантии сохранения генетического материала, который можно использовать для анализа. И каждый такой анализ требует значительных затрат времени и ресурсов.
Сотрудники Южного федерального университета во главе с исследователями из Южного научного центра Российской академии наук проверили эффективность метода предварительной «сортировки» археологических находок, который позволяет с высокой долей уверенности прогнозировать результативность дальнейших исследований. В ходе работы проанализированы костные останки, найденные в курганах Ростовской области и относящиеся к периоду VII–IX веков, принадлежавшие жителям Хазарского каганата.
Учёные определили концентрацию общего органического углерода (ТОС) в образцах костей и соотнесли эти данные с эффективностью извлечения ДНК и последующего генотипирования. Анализ показал, что более высокое содержание органического углерода в костной ткани коррелирует с увеличением вероятности получения полного генетического профиля.
«Проведенные исследования показали, что результативность ПЦР-генотипирования и вероятность успешного высокопроизводительного секвенирования зависят от количества органического углерода, присутствующего в образце. При уровне ТОС, не превышающем 8 процентов, вероятность получения положительного результата крайне мала. Образцы с содержанием углерода от 8 до 9,9 процента могут обеспечить результат при обычном ПЦР-анализе, а для более сложных и дорогостоящих методов, например NGS, рекомендуется использовать образцы с концентрацией углерода, превышающей 9,9 процента», – сообщил доктор биологических наук, доцент, руководитель научной лаборатории «Идентификация объектов биологического происхождения» Южного федерального университета Игорь Корниенко.
Полученные данные послужили основой для разработки экономически целесообразной методики выбора палеобиологического материала. Эта стратегия позволяет исключать неперспективные образцы на начальном этапе, избегая излишних затрат времени и реагентов на их исследование. Определение содержания органического углерода занимает всего несколько часов и обходится значительно дешевле, чем полный процесс выделения и генотипирования ДНК.
Для лабораторий, занимающихся изучением обширных археологических наборов, данный метод оказывается особенно полезным. Вместо того чтобы тратить значительные средства на анализ всех имеющихся образцов без предварительной оценки, ученые могут сначала выполнить экспресс-оценку и направить свои усилия на наиболее перспективные объекты.
В настоящее время палеогенетические проекты в России расширили свои масштабы: от изучения отдельных находок они перешли к систематическому анализу целых некрополей. Это предполагает секвенирование сотен и тысяч образцов ежегодно в рамках Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий. Научная лаборатория «Идентификация объектов биологического происхождения» ЮФУ регулярно проводит такие исследования, обеспечивая полный цикл палеогенетического анализа — от извлечения ДНК из археологического материала в лабораторных условиях до сложной биоинформатической обработки полученных данных. В период Десятилетия науки и технологий (2022–2031 гг.), когда российским лабораториям поставлена задача массовой геномной паспортизации древних популяций, предложенный метод быстрой оценки общего органического углерода приобретает важное стратегическое значение. Он позволяет на начальном этапе отбраковывать до 30–40% неперспективного материала, что в масштабах страны обеспечивает экономию миллионов рублей бюджетных средств, расходуемых на дорогостоящие реактивы для NGS-секвенирования, и значительно ускоряет получение ключевых сведений о генетическом происхождении народов России.
Механизм действия метода заключается в поиске химического «маркера сохранности» внутри костной ткани. Процедура начинается с подготовки небольшого количества – микронавески, составляющей примерно 0,5 грамма костного порошка, который помещается в автоматический анализатор. Прибор проводит двухэтапное исследование: сначала образец подвергается выжиганию при температуре 680°C для определения общего количества углерода (TC), а затем другая часть пробы обрабатывается ортофосфорной кислотой. Эта кислота взаимодействует с минеральной составляющей кости, высвобождая неорганический углерод (IC). Искомый показатель – Общий органический углерод (TOC) – рассчитывается посредством вычитания: из общего значения исклюряется минеральный компонент. Полученное число представляет собой своего рода индикатор биологической свежести останков. Поскольку ДНК является частью органического матрикса кости, высокий уровень TOC свидетельствует о том, что органическое вещество на протяжении веков не разложилось, и в образце с большой вероятностью сохранились древние цепочки ДНК, подходящие для детального секвенирования. Таким образом, метод позволяет, основываясь на химическом показателе, оценить целесообразность проведения дорогостоящего генетического анализа до его начала. И проведенное исследование NGS это подтвердило: образцы с высоким уровнем общего органического углерода продемонстрировали максимальный выход древней ДНК человека.
«Предложенный подход уже продемонстрировал свою результативность при работе с археологическими памятниками хазарского периода. В будущем он способен закрепиться в качестве обязательного этапа подготовки археологических находок во всем мире – начиная от подготовки к генетическим исследованиям древних популяций и заканчивая отбором экспонатов для музейных фондов, где необходимо сохранять ценные образцы для дальнейшего изучения», – по словам Ольги Арамовой, к.б.н., старшего преподавателя кафедры генетики Академии биологии и медицины Д.И. Ивановского ЮФУ.
Итоги исследования представлены в научном журнале «Molecular Biology» в марте 2026 года.
Данная работа была осуществлена в процессе выполнения государственного задания ЮНЦ РАН (номер группового проекта 125012000466–3) при участии специалистов Южного федерального университета.
Информация предоставлена Центром общественных коммуникаций ЮФУ