在古老牙石中寻找失去的微生物基因

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大约1.9万年前，一名女性死于西班牙北部。她的遗体被特意埋在天然赭石碎片中，并放置于尔米龙洞穴一块石灰石后面。2010年，当她的赭色骨骼出土时，考古学家称她为“红娘子”。

由于那时糟糕的口腔卫生，“红娘子”的牙齿正帮助阐明一个消失的细菌及其化学产物的世界。研究人员从牙齿上堆积的坚硬牙石中成功回收并重建了“红娘子”和其他几十个古代人类口腔中细菌的遗传物质。5月4日，相关论文发表于《科学》。

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牙石“捕获”了DNA。图片来源：FELIX WEY/WERNER SIEMENS FOUNDATION

“他们能从数百万块拼图中重建基因组，这是一项伟大的成就。”未参加研究的波多黎各大学环境微生物学家Gary Toranzos说。

“饮食的改变和抗生素的引入极大改变了现代人类微生物组。”意大利特伦托大学计算生物学家Nicola Segata表示，对古代微生物进行测序并重新创造它们的化学产物，“将帮助我们确定人类微生物群在过去可能具有而现在已经失去的功能”。

丹麦哥本哈根大学分子古生态学家Mikkel Winther Pedersen补充道，复活这些“丢失”的基因有一天可能有助于科学家设计新的疾病治疗方法。

在过去几十年里，对古代DNA测序已经揭示了死亡已久的生物体的物理和生理特征。同时，研究人员使用同样的技术检查大量细菌群落或微生物组的基因，后者曾经在死亡已久的人的口腔和肠道中繁殖。

这项工作让研究人员深入了解了在抗生素和加工食品出现之前，哪些微生物物种可能与人类共存。

论文作者、美国哈佛大学遗传学家Christina Warinner表示：“我们仅限于今天所知道的细菌，而忽略了来自未知或可能灭绝的生物的大量DNA。”

为此，Warinner的团队花了近3年时间调整DNA测序工具和计算机程序，以处理在古代样本中发现的更短的DNA片段。最终，他们利用46具古代骨骼的牙石鉴定了数十种已灭绝或以前未知的口腔细菌的DNA，其中包括十几位死于3万年至150年前的尼安德特人和现代人。

接下来，研究小组将现代生防假单胞菌与一对古老的基因结合起来，制造出能产生数毫克呋喃分子的蛋白质。人们认为现代细菌利用呋喃进行细胞信号传导。新的发现表明，古代细菌也能做到这一点——这是不可能通过简单的基因组测序进行预测的。

牙石是寻找这些古老微生物的理想场所。在没有定期清洁口腔的情况下，牙齿会将剩下的食物和其他有机物包裹在“石头”中。这既有助于保存人体内的任何DNA，也能在身体腐烂时保护其免受污染。

乍一看，研究小组重建的微生物在口腔微生物组中似乎格格不入。一种被鉴定为绿菌属的细菌，其现代亲属利用光合作用在少量光照下生存，并生活在厌氧条件下。它们似乎在大约1万年前就从古代人类身上消失了。

“这种细菌可能是古人在洞穴中或洞穴附近喝水时进入口腔的，也可能曾经是古老口腔微生物组的正常组成部分，依靠穿透脸颊的微弱光线生存。”Warinner解释说。

尽管研究人员成功促使现代细菌表达了它们以前未被发现或灭绝的表亲的基因，但“还没有让微生物复活。”Warinner说。不过，研究小组已经确定了制造他们感兴趣的化合物的关键基因。