Kasybos muziejų genominiai lobiai | Ars Technica

Kasybos muziejų genominiai lobiai |  Ars Technica
Padidinti / Alpių burundukai, kuriuos XX amžiaus pradžioje surinko novatoriškas gamtininkas Josephas Grinnell, vis dar saugomi stuburinių zoologijos muziejuje Kalifornijos universitete Berklyje. Neseniai genetikai panaudojo iš jų išskirtą DNR, kad atsektų, kaip vystėsi burundukai. Tokios muziejų kolekcijos gali suteikti laiko mašinos tyrinėtojams praeitį. (CC BY-NC 2.0)

Gamtos istorijos aukso amžius, kai Charlesas Darwinas ir panašiai mąstantys mokslininkai svarstė ryšius tarp būtybių ir jų aplinkos, daugiausia buvo susiję su daiktų rinkimu. Tyrinėtojai pasklido po visą pasaulį ir rinko kuo daugiau augalų ir gyvūnų, juos išdžiovino, įkimšo arba laikė alkoholyje mažuose stikliniuose indeliuose. Jie nešė juos namo į didžiuosius muziejus, kur visuomenė galėjo į juos pažvelgti ir nustebti.

Šios garbingos kolekcijos šiandien gali atrodyti kaip relikvijos – apaugę sandėliai, imperatoriškųjų grobimų šventyklos. Tačiau tarp jų yra milijardai mėginių, todėl muziejų kolekcijos yra lobis šiuolaikiniams evoliuciniams biologams, tyrinėjantiems DNR, RNR, baltymus ir kitas biomolekules. Dešimtmečių ar net šimtmečių senumo audinių mėginių ėmimas leidžia mokslininkams užfiksuoti genetinio kodo fragmentus iš augalų ir gyvūnų, įskaitant išnykusius, ir sekti molekulinius pokyčius, įvykusius gerokai anksčiau nei biologai net suprato, kas yra DNR. Jaunesni egzemplioriai taip pat yra vertingi, nes jie sudaro didelį mėginių ėmimą, padedantį mokslininkams palyginti vienos rūšies ar giminingų savybių požymius.

Dėl viso to darbas su muziejų pavyzdžiais yra viliojanti tyrėjų perspektyva, sako Harvardo evoliucijos genetikas Darenas Cardas, kuris savo darbui, susijusiam su roplių galūnių vystymusi, atrinko egzempliorius iš Australijos muziejų. Muziejaus genomika suteikia esminių įžvalgų apie evoliucijos istoriją, klimato kaitos poveikį ir dar daugiau, Cardas ir jo kolegos rašo 2021 m. Kasmetinė genetikos apžvalga. Pažįstama kalbėjosi su Card apie kai kuriuos iš šių projektų ir kai kuriuos iššūkius, su kuriais susiduria sritis.

Šis pokalbis buvo redaguotas siekiant ilgumo ir aiškumo.

Tiek daug to, ką mokslininkai nori žinoti apie gamtos istoriją šiandien, yra įrašyta į DNR, žmogaus akiai nematoma. Ką šios didžiulės senų biologinių dalykų kolekcijos gali pasakyti apie genų ir evoliucijos sąveiką?

Istoriškai dauguma muziejų tyrinėtojų daugiausia dėmesio skyrė rūšių pavadinimams ir jų evoliucijos istorijos supratimui. Mane labiau domina ryšiai tarp genomo – DNR pagrįsto kodo, nurodančio organizmui, kaip susikurti ir valdyti save – ir fenotipų, bruožų, kuriuos rodo būtybė.

Žvelgdami į genomus ir fenotipus, galime ištirti, kaip organizmai vystosi ir prisitaiko prie skirtingų aplinkų, o muziejaus kolekcijos suteikia mums daugybę pavyzdžių, kad galėtume paimti šį darbą. Muziejai yra tam tikra laiko mašina – galite grįžti atgal ir pažvelgti į senus egzempliorius, ir jums bus naudingas darbas, kurį muziejus atliko fiksuodamas, iš kur egzempliorius atkeliavo, kada jis buvo surinktas ir kokius pastebėjimus apie jį padarė mokslininkai. dešimtmečius.

Šiuolaikinių rūšių egzemplioriai taip pat gali būti geresni muziejuose nei paimti iš lauko. Kai kuriais atvejais turėsite gyvūną, kuris dabar yra išnykęs arba labai retas, todėl niekas pagrįstai neleis jums imti mėginių, nes liko du.

Driežai, kuriuos aš tyrinėju, vis dar yra pusiau gausūs natūralioje aplinkoje, tačiau norint patekti į muziejus sumažėja pastangų. Naudodamas Australijos muziejuose saugomus audinius, paėmiau dešimčių rūšių mėginius. Jei jų nebūtų, būčiau turėjęs išeiti ir surasti tas rūšis. Net jei patekčiau į reikiamą vietą – ir jie išsibarstę po visą žemyną – galbūt niekada nerasiu to, ko ieškojau.

Koks yra geras pavyzdys, kai mokslininkas naudoja muziejaus kolekciją, kad sužinotų ką nors apie evoliuciją per genetiką?

Vienas tikrai geras, kurį pabrėžėme apžvalgoje, susijęs su didelio aukščio burundukų Kalifornijoje tyrimu ir kaip jie prisitaikė ir vystėsi per pastaruosius 100 metų. Tai graužikai, kurių arealas apsiriboja aukščiausiuose Kalifornijos kalnuose.

Susirūpinimą kelia tai, kad tokioms rūšims kyla didelis klimato kaitos pavojus. Jei temperatūra toliau kyla ir jie negali pakilti aukščiau į kalną į vėsesnę žemę, jie atsiduria sunkioje vietoje.

Originalų darbą su burundukais XX a. pradžioje pradėjo Kalifornijos universiteto Berklio stuburinių zoologijos muziejaus tyrėjai ir ypač džentelmenas Josephas Grinnellas, kuris buvo labai įtakingas to meto muziejaus mokslininkas. Jis buvo produktyvus dokumentuodamas Vakarų gamtos istoriją, kuri tuo metu buvo labai apgyvendinta.

Grinnellas mirė 1939 m., tačiau buvo įžvalgus ir spėliojo, kad būsimi mokslininkai naudos muziejų kolekcijas, tirdami biologinius pokyčius laikui bėgant. Tai įkvėpė vieną iš mūsų šios apžvalgos bendraautorių Craigą Moritzą suburti komandą, kuri iš naujo paimtų ir sektų kai kurias šio burunduko populiacijas dideliuose aukščiuose ir palygintų tai, ką jie rado, su DNR mėginiais, paimtais iš gyvūnų, kuriuos Grinelio komanda surinko ir katalogavo 100 prieš metus ar panašiai. Moritzas norėjo sužinoti, ar jie galėtų aptikti genetinius pokyčius, kurie leistų manyti, kaip klimatas paveikė šiuos organizmus.

Daugumoje genomo dalių niekas taip nepasikeitė. Tačiau jie nustatė, kad kai kurios atskiros genetinės mutacijos šiose didelio aukščio vietose laikui bėgant tapo dažnesnės kai kuriose populiacijose, tikriausiai dėl klimato kaitos sukeliamo ekologinio spaudimo.

Jie pastebėjo didelius pokyčius tarp penkių geno variantų, vadinamų Alox15, kuris, kaip žinoma, reguliuoja gyvūnų gebėjimą išgyventi mažai deguonies turinčioje aplinkoje. Taigi galbūt Alox15 yra svarbus genas, kurį reikia sekti keičiantis klimatui. Idealiu atveju mokslininkai dabar patvirtins jo funkciją. Netolimoje ateityje jie gali sekti Alox15 variantai, padedantys priimti sprendimus dėl apsaugos, kurie bus naudingi burundukams ir kitoms didelio aukščio rūšims. Galbūt po 50 metų galėsime panaudoti genetinį redagavimą Alox15 ir padaryti nykstančius organizmus atsparesnius. Bet šiuo metu tai pyragas danguje.

Kokius kitus atradimus mokslininkai padarė naudodami muziejaus pavyzdžius?

Yra daug pavyzdžių. Viena iš jų yra Suomijos gamtos istorijos muziejaus mėginių analizė, kuri atskleidė šimtmetį trukusią dviejų drugelių rūšių genetinės įvairovės mažėjimą dėl populiacijos mažėjimo. Kitas tyrimas parodė, kad 1879–1959 m. Berne, Šveicarijoje, naminių bičių genetinė įvairovė iš esmės nepakito. Tai rodo kitokią žmogaus įtaką: šiuo atveju bitininkystės praktika tikriausiai padėjo bitėms išbristi.

Naujosios Meksikos universiteto Pietvakarių biologijos muziejuje ir Teksaso technikos universiteto muziejuje saugomų elnių pelių kraujo mėginių genominė analizė padėjo mokslininkams išsiaiškinti, kad paslaptingas hantavirusas, pražudęs 10 žmonių Amerikos pietvakarių keturių kampų regione. 1993 m. kurį laiką tarp graužikų šiame regione sklandė ir neaptikti.

Ir neseniai pasirodė tikrai šaunus tyrimas Gamta, kur mokslininkai, susiję su Švedijos gamtos istorijos muziejumi ir kitomis institucijomis, išskyrė ir sekvenavo DNR iš milijono metų senumo mamutų mėginių, nustatydami anksčiau nežinomą Sibiro mamutų kilmę, kuri buvo pirmųjų mamutų, kolonizavusių Šiaurės Ameriką virš Beringo upės, protėvis. sausumos tiltas. Toks darbas padeda mums glaudžiai suprasti skirtingų senovės gyvūnų populiacijų ryšius.

Ar galite iš tokio seno dalyko ištraukti gerą molekulinę informaciją?

Pataikė arba nepataikė. Tai priklauso nuo konservavimo būdo – geriausia paimti audinio gabalėlį ir mesti į šaldiklį arba skysto azoto talpą. Laikas taip pat yra veiksnys. Kuo ilgiau kažkas ten sėdi, tuo labiau degraduoja.

Akivaizdu, kad prieš 100 metų mes nežinojome, ką daro DNR ir kaip ji tai daro. Kodo struktūra ir pobūdis buvo atrasti tik šeštajame ir septintajame dešimtmečiuose. Tokie žmonės kaip Grinnellas skraidė akli, bet paprastai saugojo daiktus taip, kad šiandien galėtume prie jų sugrįžti ir pabandyti iš jų išgauti naudingą DNR. Kitos biomolekulės taip pat pamažu patenka į tinklą.

Dedamos tam tikros koordinuotos pastangos standartizuoti mėginių saugojimo būdą, bet tikriausiai ne tiek, kiek turėtų būti. Manau, kad mums reikia kapitalinio remonto. Galėtume daug geriau išsaugoti audinius ilgesniems tyrimams.

Kokie yra kiti iššūkiai, su kuriais susiduria ši sritis?

Turime geriau nuspręsti, ką išsaugoti ir kaip įrašyti svarbius atributus. Muziejai visada saugodavo viso kūno egzempliorių, tačiau pastaruoju metu mes labiau domimės šiais genominiais ar genetiniais ištekliais, todėl audinių mėginiai yra svarbiausias dalykas. Tačiau kai einate į duomenų bazes, gali būti sunku pasakyti, ar surinktas egzempliorius, kurio datą, vietą ir kitą informaciją turi susietų audinių, iš kurių galėtumėte paimti mėginius. Genomikai naudinga turėti abu.

Antras didelis iššūkis yra skaitmeninimas ir kolekcijų integravimas, kad galėtumėte suprasti, koks muziejus turi išteklių A, o koks muziejus – B. Skaitmeniname mažiausiai dešimtmetį, tačiau tai nėra gerai integruota tarp kolekcijų. Tikimės, kad mūsų dokumentas šiek tiek paskatins dalykus. Yra daug darbo.

Ką muziejaus genomika jums parodė apie driežus, kuriuos studijuojate?

Vis dar svarstome, kodėl roplių rūšys vystosi ir praranda galūnes. Taip nutiko mažiausiai porą dešimčių kartų. Žinoma, gyvatės yra žinomiausi pavyzdžiai, bet tai atsitinka daug daugiau, nei manau, kad daugelis žmonių supranta. Istoriškai buvo vienas genomo regionas, kuris buvo susijęs su gyvačių galūnių praradimu, tai yra ZRS regionas. Tačiau mano atliktas preliminarus žvilgsnis, įskaitant egzempliorių iš muziejų tyrimą, rodo, kad šis regionas nėra toks svarbus rūšiai, į kurią žiūriu. Kažkas kitas turi paskatinti modelį.

Kodėl svarbu suprasti, koks genomo regionas yra susijęs su tokiais evoliuciniais pokyčiais?

Biologui tai labai svarbu. Kas daro gyvatę gyvate? Kas daro paukštį paukščiu? Dauguma mus, kaip biologus, dominančių variantų tam tikru būdu turi būti nulemti genetikos. Mes iš tikrųjų esame pradiniame etape, kad suprastume bet ką iš viso. Mes atlikome padorų darbą su kai kuriais pavyzdiniais organizmais, tokiais kaip žmonės, pelės ir vaisinės musės, bet apie daugumą biologinės įvairovės neturime supratimo.

Muziejai bus puikus įkvėpimo šaltinis ir medžiaga nagrinėjant šį didelį biologijos klausimą, o didelio klausimo supratimas gali padėti mums išspręsti dideles problemas. Supratimas apie genetinę įvairovę ir būdus, kaip ji koreliuoja su fiziologija – ypač organizmuose, kuriuos galbūt pavyks susieti su žmonėmis – gali turėti įtakos sveikatos priežiūrai arba biologiškai įkvėptam dizainui ir inžinerijai.

Ši istorija iš pradžių pasirodė žurnale Knowable.

Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas.