Изучение древней ДНК в последние годы достигло значительных успехов, предоставив ученым возможность детально узнать об организмах, существовавших в глубокой древности. Однако, ДНК имеет ограничение: она редко сохраняется в образцах старше двух миллионов лет. Поэтому, в качестве альтернативного источника генетической информации, исследователи обращаются к древним белкам. В новой работе авторы сообщили об успешном извлечении белков из зубной эмали возрастом 18 миллионов лет. Этот результат почти в пять раз превосходит предыдущий рекорд.
Долгое время ДНК считалась золотым стандартом для изучения древней жизни. Ученые расшифровали геномы мамонтов, неандертальцев и других вымерших существ. Но у ДНК есть предел. Эта сложная молекула быстро разрушается из-за высоких температур, радиации, влажности, в результате окисления и под воздействием микроорганизмов. В исключительных условиях — например, в вечной мерзлоте — ДНК может сохраняться сотни тысяч лет.
Самыми древними фрагментами ДНК считаются образцы, дНК, извлеченная из осадков на севере Гренландии, имеет возраст около двух миллионов лет. Эти фрагменты ДНК, происходящие от растений и животных, позволили воссоздать картину экосистемы плейстоценовой Гренландии.
Жизнь на Земле не ограничивается лишь двумя миллионами лет. Палеонтологи и антропологи обнаруживают ископаемые останки, возраст которых значительно превышает этот показатель, однако ДНК в них не сохранилась. Но как же тогда можно изучать такие окаменелости?
В начале XXI века генетическая информация все чаще стала поступать от ученых использовать древние белки. Исследователи научились извлекать и анализировать их, чтобы восполнить пробелы там, где ДНК уже полностью разрушилась. Эти молекулы, состоящие из аминокислот, управляют всем: от роста мышц до цвета глаз. Они закодированы ДНК, поэтому из них можно извлечь важную информацию и о генах древнего организма. С помощью этого материала можно отнести находку к роду или виду, даже построить эволюционное древо, определить ближайших родственников и время расхождения линий.
Исследования продемонстрировали, что белки, находящиеся в структуре зубной эмали, надежно защищены и менее чувствительны к гидролизу и окислению. Эти белки способны сохраняться на протяжении миллионов лет, в то время как двойная спираль ДНК разрушается в большинстве природных условиях за 0,5-2 миллиона лет.
Для белков также существует определенный предел стабильности. Считалось, что экстремальные факторы, такие как высокая температура, влажность и химическая активность, разрушают органические молекулы в течение относительно коротких геологических периодов. Великая рифтовая долина в Кении служит наглядным примером такой агрессивной среды, поскольку этот регион по-прежнему остается одним из самых жарких мест на планете.
Вероятность обнаружения древних белков, особенно возрастом свыше 10 миллионов лет, казалась крайне низкой. Однако международной группе палеонтологов во главе с Дэниелом Грином из Гарвардского университета в США это удалось, как они сообщили в своей статье, опубликованной в журнале Nature.
В ходе раскопок, проводимых в Великой рифтовой долине, ученые обнаружили окаменелые зубы древних млекопитающих. Для изучения образцов верхний слой зубной эмали был осторожно удален с использованием миниатюрных бормашин, а полученный материал отправлен на анализ в Смитсоновский институт.
Тим Клеланд, специалист по древним белкам, провел исследование, используя метод масс-спектрометрии — технологии, которая позволяет разделить молекулы по массе и точно определить состав образца. В результате анализа были обнаружены белковые фрагменты, достаточные для идентификации владельца зубов. Оказалось, что это были древнейшие предки современных носорогов и слонов — Rhinocerotidae и Proboscidea — возрастом 18 миллионов лет.
Несмотря на ограниченное количество обнаруженных белков, научная значимость открытия не снизилась. Уникальность заключалась в том, что ученым удалось не только выделить белок из останков возрастом 18 миллионов лет, но и получить на его основе сведения об эволюции — это действительно сенсационное открытие. Такой сохранности белка ранее не наблюдалось. Ранее максимальный подтвержденный возраст белков составлял четыре миллиона лет. Образцы были найдены во вечной мерзлоте Канадской Арктики.
Зубная эмаль является залогом успеха. Белки, составляющие зубную эмаль, демонстрируют значительно большее эволюционное разнообразие, чем, скажем, коллаген костей. Это делает их более подходящими для установления видовой принадлежности.
Зуб обладает структурой, которая способствует его сохранности. Зубная эмаль – самая прочная ткань среди млекопитающих. Она преимущественно состоит из минерала гидроксиапатита. Минералы, содержащиеся в эмали, удерживают белки, которых в ней немного – около одного процента, что обеспечивает их лучшую сохранность.
Учитывая, что белки смогли пережить миллионы лет жары в Великой рифтовой долины, существует вероятность обнаружения подобных останков и в других регионах с экстремальными условиями на Земле.
Ученые намереваются исследовать образцы, относящиеся к различным геологическим периодам, чтобы определить, как меняется количество и качество белков в зависимости от возраста окаменелостей. Грин и его соавторы планируют изучить и древние, и более молодые ископаемые, что позволит создать шкалу, определяющую степень сохранности белков в различных условиях.