Antik DNA: Binlerce yıllık genetik sır

Dilara Devranoğlu - Uzman Moleküler Biyolog, Diyetisyen - @dilaradevranoglu

Binlerce yıl önce yaşamış insanların, hayvanların ve bitkilerin kalıntılarından elde edilen genetik materyallerin son teknolojik yöntemlerle incelenmesi geçmişe açılan moleküler bir pencere görevi görerek zaman yolculuğu yapmamızı sağlıyor. Antik DNA (aDNA) araştırmaları, sadece tarih öncesi değil modern tıp ve tarıma kadar birçok alanda heyacan verici katkılar sunmakta.

ANTİK DNA NEDİR?

Antik DNA, arkeolojik kalıntılardan ya da fosillerden elde edilen, genellikle birkaç yüz baz çifti uzunluğundaki bozulmuş DNA parçacıklarına verdiğimiz isim. İlk kez 1984 yılında Higuchi ve arkadaşları tarafından bir mumyadan izole edilmiş ve son 40 yılda moleküler biyolojide büyük bir araştırma alanına dönüşmüş.

Bugün biyoloji antropoloji ve arkeoloji arasında köprü görevi görmekte olan antik DNA araştırmaları bir interdisipliner bilim alanı olan moleküler antropoloji olarak da adlandırılıyor.

Antik DNA’lardan insan evrimi, insan topluluklarının hareketliliği, göç yolları ve kültürel/genetik etkileşimler inceleniyor. Antik DNA’ya arkeolojik yerleşim alanlarında toprak altından ve bataklık, mağara gibi ortamlardan elde edilen insan kemiklerinin iç kısımları, diş, kıl, deri parçaları, yumurta kabuğu, böcek dış iskeletleri ve tohum gibi canlı kalıntılarının moleküler biyolojide kullanılan son tekniklerle incelenmesiyle ulaşabiliyoruz ve elde edilen DNA üzerinde yapılan analizlerle bu canlılar hakkında fikir yürütebiliyoruz.

aDNA çalışmaları; Adli tıpta, soyu tükenmiş türlerle ilgili çalışmalarda, göç örüntülerinin belirlenmesinde ve antik topluluklarının birbirleri ile uzaklıklarının belirlenmesi gibi çalışmalarda da kullanılmakta.

Son yıllarda öne çıkan aDNA çalışmaları ise insan topluluklarının Dünya üzerindeki hareketliliği ve aynı dönemlerde var olmuş birbirine yakın topluluklar ya da türler arasında genetik bir alışverişin gerçekleşip gerçekleşmediği gibi konulara odaklanmaktadır.

PEKİ MİLYONLARCA YILLIK DNA NASIL KORUNUYOR?

DNA ölümden hemen sonra parçalanmaya başlar. Ancak mağaralar, bataklıklar veya buzullar gibi soğuk, kuru ve oksijensiz ortamlar DNA’nın bozulmasını yavaşlatır ve binlerce yıl korunmasını mümkün kılabilir. Antik DNA, DNA’nın çok daha küçük ve bozulmuş parçalarıdır. Bu parçaların analizinde PCR (polimeraz zincir reaksiyonu) teknolojisi kullanılır. Burada en büyük sorun bu DNA parçalarının o zamandan kalan bakteri DNA’larıyla füzyon oluşturması ve araştırmacıların DNA’ları ile karışma yani kontaminasyon riskidir. Bu sebeple araştırmalar, sadece antik DNA'ya özel steril laboratuvarlarda yapılmaktadır.

Antik DNA analizleri ile Neandertaller ve modern insanlar arasında gen alışverişi olduğunu kesin olarak kanıtlayan çalışmalar da yapılmıştır. Bununla birlikte Avrupa’da tarıma geçen topluluklar ve Orta Asya’dan gelen göç dalgaları genetik olarak haritalanmıştır.

SOYU TÜKENMİŞ TÜRLER GERİ DÖNDÜRÜLEBİLİR Mİ?

Yapılan çalışmalar sayesinde Mamut gibi soyu tükenmiş bir türün özelliklerini taşıyan şimdiki yakın akrabaları arasında seçici çiftleştirmenin yapıldığı geri melezleme  uygulamaları, korunmuş hücrelerden alınan genomik DNA’nın şimdiki akraba türlerin yumurtalarına aktarıldığı klona dayalı hücre çekirdeği transferi ve çığır açıcı bir genetik mühendislik yöntemi olan genlerin yeniden düzenlenebildiği CRISPR teknolojisi ile modern türlerin DNA’sının, soyu tükenmiş türlerin genomlarına benzetildiği teknikler “de-extinction” yani yeniden canlandırma kavramını bilim dünyasında tekrar gündeme taşımıştır.

Özellikle 1990’lı yıllarda dikkat çeken bir çalışma alanı kehribar içerisinde korunmuş fosillerden ve dinozor fosil kalıntılarından elde edilen aDNA çalışmalarıydı. Kehribarın, içerisindeki organizmayı şeklen son derece iyi muhafaza etmesi sebebiyle genetik bilgiyi de korduğu varsayılmıştı ve bu çalışmalarla yaklaşık 20 milyon yıllık bir kehribar içindeki yapraktan, yaklaşık 40 milyon yıllık arı fosilinden ve 80 milyon yıllık dinozor kemiklerinden aDNA elde edilebilmişti. Bu yöndeki çalışmalara son noktayı koyan 2024 yılında Amerika’da Colossal Biosciences isimli bir biyoteknoloji şirketinin laboratuvarlarında 12Bin yıl önce soyu tükenmiş Ulu Kurt -dire wolf – u yeniden yarattıklarını açıklaması olmuştu. Fakat bu açıklama bilim çevrelerinde heyecanla birlikte çeşitli tartışmalara da yol açtı.

Dire wolf (Aenocyon dirus), 2.6 milyon yıl önce başlayan Pleistosen dönemde Kuzey Amerika’da yaşamış iri yapılı, soğuk ortama uyumlu, günümüzde soyu tükenmiş bir kurttur. Colossal Biosciences şirketi, donmuş dire wolf kalıntılarından parçalanmış DNA örneklerini analiz ettiler. Fakat elde ettikleri DNA’lar bozulmuş ve eksikti yani klonlama veya doğrudan canlı yaratımı için uygun değildi. Bunun için araştırmacılar, şimdiki gri kurt DNA’sını alıp, toplamda 14 DNA bölgesinde 20 genetik değişiklik yaparak dire wolf’a benzer kürk yapısı, kas gelişimi gibi fiziksel özellikleri kodlayan genleri yeniden düzenlediler. Aslında ortaya çıkan hayvanlar gri kurttu, yalnızca görünüm açısından dire wolf’a benzemişti. Yani halen tam anlamıyla antik DNA kullanılarak bir birey oluşturulamamıştı.

Bilimsel açıdan soyu tükenmiş bir türü “diriltmek” için; Eksiksiz ve canlı işlevselliğine sahip antik DNA, o canlının türüne en yakın türden uygun bir taşıyıcı anne hücresi ve rahim ortamı gerekir. Ayrıca ortaya çıkan birey, soyunun tüm genetik özelliklerini taşımalıdır.

Yine de bu proje ile genetik mühendisliğin geldiği son noktanın soyu tükenmiş türlerden elde edilen antik DNA parçaları kullanılarak o türün dış görünüş gibi bazı özelliklerinin yeni bir canlıya aktarılabileceğine ve genetik biliminin ilerleyişine ve yüksek potansiyeline heyecanla şahit olduk.

SON OLARAK…

Bugün antik DNA araştırmaları sadece insanlık tarihine değil, aynı zamanda tıp, tarım, iklim bilimi ve mikrobiyoloji gibi alanlara da yön veren çok disiplinli bir bilimsel araç haline gelmiştir.

Şu an binlerce yıl öncesine ait bireylerden elde edilen genomik veriler sayesinde, veba, tüberkülöz gibi antik patojenlerin genetik izlerinin takibiyle enfeksiyon hastalıklarının nasıl evrimleştiğinin daha iyi anlaşılabilmesi olası yeni pandemilere karşı hazırlıkta bizim için önemli bir araç olabilir. Yine antik genomik verilerle binlerce yıl öncesindeki çevresel ve iklimsel değişimlerin canlılar üzerindeki etkisinin modellenebilmesi, biyoçeşitliliğin korunması yönünde katkı sunabilir ve son olarak özellikle kölelik geçmişine sahip toplumlar ile şimdiki bireyler arasında genetik bağların kurulması, tarihi bağlamda aidiyet ve toplumsal hafızanın güçlendirilmesi açısından epey önemli olacağı öngörülmektedir.

Antik DNA; sadece geçmişin sırlarını değil, bütün insanlık tarihinin bilimsel geleceğini de şekillendirecek en önemli biyolojik kanıtlardan biri olmaya devam edecek. Bilimle kalın!

Referanslar:

Kültepe-kaniş kazılarında bulunan insan kemiklerinden Antik DNA izolasyon çalışmaları

Semih Özen, Yüksek Lisans tezi 2023

Hagelberg E, Thomas MG, Cook CE Jr, Sher AV, Baryshnikov GF, Lister AM. (1994)

DNA from ancient mammoth bones. Nature. Aug 4;370(6488):333-4. doi:

10.1038/370333b0. PMID: 8047136

Burger, J., Hummel, S., Hermann, B., & Henke, W. (1999). DNA preservation: a

microsatellite-DNA study on ancient skeletal remains. Electrophoresis, 20(8),

1722–1728.

Bastian, F., Jacot-des-Combes, C., Hänni, C., & Perrier, M. (2018). Determination of

the geographical origin of leather shields from Zanzibar using ancient DNA tools.

Journal of Archaeological Science: Reports, 19

Campana, M. G., Bower, M. A., Bailey, M. J., Stock, F., O'Connell, T. C., Edwards, C.

J., Checkley-Scott, C., Knight, B., Spencer, M., & Howe, C. J. (2010). A flock of

sheep, goats and cattle: ancient DNA analysis reveals complexities of historical

parchment manufacture. Journal of Archaeological Science, 37(6)

Oskam CL, Bunce M. (2012) DNA extraction from fossil eggshell. Methods Mol

Biol.;840:65-70. doi: 10.1007/978-1-61779-516-9_9. PMID: 22237523.

Smith, Aaron & Kamiński, Marcin & Kanda, Kojun & Sweet, Andrew & Betancourt,

Julio & Holmgren, Camille & Hempel, Elisabeth & Alberti, Federica & Hofreiter,

Michael. (2021). Recovery and analysis of ancient beetle DNA from subfossil

packrat middens using high-throughput sequencing. Scientific Reports. 12635.

10.1038/s41598-021-91896-8.

Modi, A., Vergata, C., Zilli, C., Vischioni, C., Vai, S., Tagliazucchi, G. M., Lari, M.,

Caramelli, D., Taccioli, C. (2021). Successful extraction of insect DNA from

recent copal inclusions: limits and perspectives. Scientific reports, 11(1), 6851.

https://doi.org/10.1038/s41598-021-86058-9

Mikić, Aleksandar M. (2015) The First Attested Extraction of Ancient DNA in

Legumes (Fabaceae). Front Plant Sci. Nov 17;6:1006. doi:

10.3389/fpls.2015.01006. PMID: 26635833; PMCID: PMC4646974.

Grigorenko AP, Borinskaya SA, Yankovsky NK, Rogaev EI. (2009) Achievements and

peculiarities in studies of ancient DNA and DNA from complicated forensic

specimens. Acta Naturae.

Meachen J. A. (2017). Ancient DNA: Saber-Toothed Cats Are the Same Beasts After

All. Current biology : CB, 27(21), R1165–R1167.

Liu, Y. C., Hunter-Anderson, R., Cheronet, O., Eakin, J., Camacho, F., Pietrusewsky,

M., Rohland, N., Ioannidis, A., Athens, J. S., Douglas, M. T., Ikehara-Quebral, R.

M., Bernardos, R., Culleton, B. J., Mah, M., Adamski, N., Broomandkhoshbacht,

N., Callan, K., Lawson, A. M., Mandl, K., Michel, M., … Reich, D. (2022).

Ancient DNA reveals five streams of migration into Micronesia and matrilocality

in early Pacific seafarers. Science (New York, N.Y.), 377(6601), 72–79.

Degradation of ancient DNA Mar 1, 1996 · Z. Kelman, L. Moran

Caramelli, David., Lalueza-Fox, Carles., Capelli, Cristian., Lari, Martina,. Sampietro,

Maria., Gigli, Elena., Milani, Lucio., Pilli, Elena., Guimaraes, Silvia., Chiarelli,

Brunetto., Marin, Vito., Casoli, Antonella., Stanyon, Roscoe., Bertranpetit,

Jaume., Barbujani, Guido. (2007). Genetic analysis of the skeletal remains

attributed to Francesco Petrarca. Forensic science international. 173. 36-40.

10.1016/j.forsciint.2007.01.020.

CONTAMINATION CONTROLS AND DETECTION IN ANCIENT DNA STUDIES

Jan 1, 2003 · Yang Dong-ya

Ancient DNA analysis Feb 11, 2021 · L. Orlando, R. Allaby, P. Skoglund

Ancient DNA: Using molecular biology to explore the past

Published Oct 1, 1994 · T. Brown, K. A. Brown

Austin, Jeremy & Ross, Andrew & Smith, Andrew & Fortey, Richard & Thomas,

Richard. (1997). Problems of reproducibility -does geologically ancient DNA

survive in amber-preserved insects? Proceedings of the Royal Society, Biological

Science. 1381, 467-474. Proceedings. Biological sciences / The Royal Society.

264. 467-74. 10.1098/rspb.1997.0067.

Golenberg EM, Giannasi DE, Clegg MT, Smiley CJ, Durbin M, Henderson D,

Zurawski G. (1990) Chloroplast DNA sequence from a miocene Magnolia

species. Nature. Apr 12;344(6267):656-8. doi: 10.1038/344656a0. PMID:

2325772.

Cano RJ, Borucki MK, Higby-Schweitzer M, Poinar HN, Poinar GO Jr, Pollard KJ.

(1994) Bacillus DNA in fossil bees: an ancient symbiosis? Appl Environ

Microbiol. Jun;60(6):2164-7. doi: 10.1128/aem.60.6.2164-2167.1994. PMID:

8031102; PMCID: PMC201618.

Woodward, Scott & Weyand, Nathan & Bunnell, Mark. (1994). DNA Sequence from

Cretaceous Period Bone Fragments. Science (New York, N.Y.). 266. 1229-32.

10.1126/science.7973705.

https://www.newscientist.com/article/2481409-colossal-scientist-now-admits-they-havent-really-made-dire-wolves/

Ancient DNA and paleogenetics: risks and potentiality Apr 1, 2021 · R. Gaeta

The current and future applications of ancient DNA in Quaternary science Feb 1, 2015 · T. Brown, I. Barnes

The future of ancient DNA

Published 2020 · Michael Hofreiter, Johanna L. A. Paijmans, Helen Goodchild

Ethical considerations when co-analyzing ancient DNA and data from private genetic databases

Published Jul 26, 2023 · Éadaoin Harney, K. Sirak, Jakob W. Sedig