Stato dell’arte
I principali progressi nell’ultimo decennio nel campo del DNA antico stanno fornendo accesso alla passata diversità paleogenomica. Ad oggi, la maggior parte degli studi nel campo della ricerca sui microbi antichi si è concentrata sull’allineamento delle sequenze ai database di geni o genomi di riferimento, limitando così i risultati ai taxa noti e ai loro parenti stretti.

Cosa aggiunge questa ricerca
Lo studio del tartaro dentale di 12 uomini di Neanderthal e 52 umani anatomicamente moderni che coprono 100.000 di anni  ha consentito la ricostruzione di 459 genomi assemblati con metagenoma batterico (MAG). È stato inoltre identificato un cluster genico biosintetico (BGC) condiviso da sette individui del Paleolitico medio e superiore che consente la produzione eterologa di una classe di metaboliti precedentemente sconosciuti denominati paleofurani.

Conclusioni
L’approccio paleobiotecnologico dimostra che è possibile indurre pathway biosintetici  dal materiale genetico conservato di organismi antichi, consentendo l’accesso a prodotti metabolici batterici del Pleistocene e fornendo un’area promettente per l’esplorazione di prodotti naturali.

I prodotti metabolici microbici svolgono un ruolo chiave nel signaling cellulare, nella comunicazione, nella difesa e nell’evoluzione microbica, consentendo l’interazione tra microrganismi all’interno delle comunità e con i loro ambienti abiotici. 

Inoltre, grazie alla loro elevata diversità strutturale e funzionale, sono una fonte ideale di composti  terapeutici, antimicrobici e altre molecole funzionali. 

Con l’avvento della paleogenomica sta diventando possibile accedere alla vasta diversità strutturale e funzionale degli antichi prodotti naturali a basso peso molecolare resuscitando percorsi biosintetici da antichi metagenomi. 

Una ricerca pubblicata recentemente su Science realizzata da Martin Klapper del Hans Knöll Institute di Jena, in Germania, ha studiato il tartaro dentale di 12 uomini di Neanderthal (datati da 102.00 a 40.000 anni fa), 34 umani vissuti tra 30.000 e 150 anni fa e 18 uomini moderni,  e ricostruito 459 genomi assemblati con metagenoma batterico.

Cluster di geni biosintetici (BCG)

La caratterizzazione dei prodotti batterici codificati nei cluster di geni biosintetici (BGC) e sintetizzati da antiche comunità microbiche fornirebbe sia informazioni sugli stili di vita dei microbi del passato sia l’accesso a diversità chimiche, strutturali e funzionali precedentemente nascoste. 

Il recente assemblaggio de novo dell’autentico DNA antico (aDNA) ha dimostrato che è possibile la ricostruzione di antichi genomi assemblati con metagenoma (MAG). 

Lo sviluppo di strumenti computazionali per la previsione di BGC da (meta) genomi ha accelerato la scoperta di prodotti naturali identificando bersagli genici per l’espressione eterologa da lunghe sequenze contigue (contigs), che sono difficili da assemblare da aDNA frammentario utilizzando i metodi attualmente disponibili.

Antichi genomi assemblati con metagenoma (MAG)

Per cercare antichi BGC sono stati selezionati i set di dati metagenomici precedentemente pubblicati di tartaro dentale provenienti dai soggetti sopra descritti.

La maggior parte dei MAG (75,4%) è risultata essere strettamente correlata a taxa orali noti. È stata osservata una sovrapposizione nei MAG rappresentativi trovati nel tartaro  sia attuale che archeologico, come i taxa orali Arachnia propionica (n = 16), Flexilinea sp001717545 (n = 15), e Lautropia mirabilis (n = 14). 

Alcuni MAG orali invece si trovavano solo negli uomini di oggi, ad esempio Capnocytophaga o nei metagenomi archeologici come Methanobrevibacter. 

Chlorobium 

Il genere con il maggior numero di MAG antichi era Chlorobium, un genere non tipico del microbiota orale o dei sedimenti sepolcrali, ma che è stato rilevato nel tartaro di nove individui. I membri noti di Chlorobium sono batteri fotolitoautotrofi, anaerobici obbligati dello zolfo verde, che tipicamente eseguono la fotosintesi in colonne d’acqua anossiche. 

Poiché il Chlorobium non è un taxon orale noto, si è voluto appurare se il risultato potesse essere dovuto ad una contaminazione recente  esaminando i modelli di danno al DNA dei MAG di Chlorobium rispetto ai MAG accoppiati del taxon certamente orale Flexilinea dagli stessi individui. 

I risultati hanno mostrato che le sequenze di DNA che compongono i MAG di Chlorobium e Flexilinea mostrano frequenze equivalentemente elevate di lesioni da codifica errata C-to-T 5’ caratteristiche del danno al DNA correlato all’età, confermando che i MAG di Chlorobium sono di autentica origine antica. 

Paleoecologia ed evoluzione delle antiche specie di Chlorobium 

Mediante costruzione di un albero filogenetico realizzato utilizzando tutti i genomi disponibili dell’ordine Chlorobiales, si è visto come gli antichi MAG di Chlorobium sono più strettamente correlati al Chlorobium limicola e formano un clade monofiletico precedentemente non descritto. Il loro set di geni funzionali, compresi quelli richiesti per il pathway fotosintetico, è simile a quelli trovati nei moderni ceppi di C. limicola presenti nei biofilm di acqua dolce. La periodica calcificazione del biofilm mediata dall’ospite in vivo o da Chlorobium può aver ulteriormente facilitato la conservazione a lungo termine di questo microbo all’interno del tartaro dentale. 

Antichi cluster di geni biosintetici del butirrolattone 

Analizzando gli antichi MAG di Chlorobium sono stati identificati quattro diversi tipi di cluster di geni biosintetici (BGC), dei quali i presunti BGC di butirrolattone e terpene sono i più diffusi. 

I butirrolattoni sono note molecole di segnalazione originariamente scoperte nelle specie Streptomyces. Per garantire che i BGC di butirrolattone siano di origine antica, è stato confermato che tutti i rispettivi contig che codificano i BGC di butirrolattone hanno un caratteristico danno al DNA correlato all’età ed è stata confrontata la sintesi genica degli antichi BGC con i BGC del butirrolattone attraverso genomi rappresentativi all’interno dell’ordine Chlorobiales ed eseguito un’analisi di rete basata su somiglianze di sequenza a coppie nell’intera regione BGC. 

Un confronto dell’architettura genetica e delle sequenze delle regioni BGC butirrolattone moderne e antiche ha mostrato che tutti i BGC butirrolattone moderni, antichi e strettamente correlati, condividono caratteristiche genetiche simili in prossimità del gene sintasi simile all’AfsA, suggerendo una corretta ricostruzione degli antichi BGC. Le vie biosintetiche basate sulla sintasi di tipo AfsA coinvolgono tipicamente enzimi modificatori aggiuntivi che portano alla produzione di butirrolattoni, butenolidi o furanoidi.

Conclusioni

Il recupero di antiche specie microbiche sconosciute, forse estinte, apre una strada per indagare sulla diversità microbica perduta a causa di cambiamenti ambientali e maggiori pressioni selettive, ad esempio: cambiamento climatico o uso di antibiotici, rispettivamente. 

Le abitazioni rupestri dell’era del Pleistocene potrebbero aver aumentato l’esposizione umana a Chlorobium spp., e l’elevata prevalenza del genere solo tra gli individui paleolitici suggerisce che le esposizioni microbiche ambientali degli esseri umani potrebbero essere sostanzialmente cambiate nel tempo poiché i modelli di abitazione si sono spostati in risposta al cambiamento climatico avvenuto nell’Olocene. 

Unendo metagenomica, estrazione del genoma, sintesi genica e analisi metaboliche con il campo della ricerca sull’aDNA, è possibile individuare antichi prodotti metabolici batterici per ottenere intuizioni evolutive sulla loro formazione e origine, nonché per fornire informazioni sulle loro potenziali applicazioni future.