Wyizolował DNA z egipskich mumii. Odkrył Denisovańczyków, wymarły gatunek starożytnego człowieka, sekwencjonując DNA z maleńkiego kawałka kości. Prowadził szeroko zakrojone badania mające na celu zrekonstruowanie genomu neandertalczyka - i znalazł ślady ich genów, które nadal czają się w niektórych z nas do dziś. Teraz szwedzki genetyk, dr Svante Paabo, chce ponownie wywrócić paleontologię do góry nogami - tym razem planuje wyhodować neandertalskie komórki macierzyste w maleńkich organoidach mózgowych w probówce.
Nie planuje całkowicie odtworzyć mózgu neandertalczyka w kadzi - raczej chce użyć edycji genów, aby dać ludzkim komórkom macierzystym kilka wariantów genów znalezionych u neandertalczyków. Te wyedytowane komórki macierzyste są następnie umieszczane w małych komórkach mózgowych, które naśladują rozwój mózgu płodu, wraz z ich własnymi naczyniami krwionośnymi, sieciami neuronowymi i funkcjonującymi synapsami.
Porównując wzrost niezandertalizowanych mini-mózgów do wzrostu ludzkiego, Paabo ma nadzieję zwrócić uwagę na czynniki genetyczne, które czynią nas tak wyjątkowymi.
„Neandertalczycy byli inteligentni, podobnie jak inne ssaki. Nie wypłynęli do oceanu, dopóki nie zobaczyli drugiego brzegu”- mówi Paabo. „Ale dla mnie największym pytaniem w historii ludzkości jest: dlaczego staliśmy się tak zdesperowani?”
Rewolucja DNA
Paleontolodzy od dawna zastanawiali się, w jaki sposób ewolucja zaślepiła nasze niesamowite mózgi. Porównując naszą genetykę z genetyką naszych najbliższych kuzynów małp człekokształtnych, genetycy pieczołowicie wyodrębnili garść krytycznie różnych genów. Na przykład, małe mutacje w FOXP2 wydają się leżeć u podstaw naszej zdolności do tworzenia złożonych fonemów i słów. Niektórzy uważają nawet, że FOXP2 jest kluczową korzyścią biologiczną, którą daje nam nasz bogaty, bogaty język.
Niestety, porównanie genomów może ujawnić tylko geny, które różnią się między ludźmi i małpami - ale to, jak te geny ukształtowały nasz rozwój mózgu, pozostaje bez odpowiedzi.
Film promocyjny:
„W przeszłości ograniczaliśmy się tylko do analizowania danych z sekwencjonowania i katalogowania różnic między innymi naczelnymi” - ubolewa neurogenetyk Simon Fischer, który prowadzi Instytut Psycholingwistyki im. Maxa Plancka w Nijmegen w Holandii. „Trochę rozczarowaliśmy się pracą z tradycyjnymi instrumentami przez tyle lat”.
Teraz, dzięki niesamowitej technologii DNA, wszystko się zmieni.
Około trzydzieści lat temu Paabo zaczął poważnie rozważać radykalny pomysł: czy DNA można ekstrahować z martwej tkanki? Chociaż DNA jest względnie stabilne w porównaniu z innymi biomolekułami, takimi jak białka, po śmierci zaczyna szybko rozpadać się. Słynna podwójna helisa, z natury starannie zwinięta w zwarte struktury, z czasem rozpada się na coraz krótsze fragmenty. Umieszczenie tych fragmentów z powrotem w spójnych strukturach okazuje się niezwykle trudne, ale w 1985 roku, wykorzystując szczątki 2400-letniej mumii, Paabo przekonująco wykazał, że można to zrobić.
To odkrycie otworzyło drzwi do paleontologii. Naukowców nie ogranicza już tradycyjne DNA współczesnych, żywych gatunków; mają teraz potężne narzędzie do cofania się w czasie i badania DNA utraconego w historii.
Zaślepiony tym początkowym sukcesem Paabo zwrócił się do neandertalczyków, tajemniczej gałęzi ludzi, która wymarła ponad 30 000 lat temu. W 2016 roku opublikował pierwszy kompletny genom neandertalczyka, szokując naukowców i opinię publiczną z intrygującym wynikiem: od 1 do 6 procent genów neandertalczyka było obecnych u ludzi z Europy, Bliskiego Wschodu i Dalekiego Wschodu. Innymi słowy, w pewnym momencie starożytnej historii nasi przodkowie tańczyli poziome tango ze swoimi neandertalskimi kuzynami, a my jesteśmy bezpośrednim dziedzictwem tych tańców.
„Neandertalczycy odcisnęli piętno na DNA współczesnych ludzi. To jest bardzo fajne. Neandertalczycy nie wymarli całkowicie - powiedział wówczas Paabo.
Jego odkrycie doprowadziło do szerszego pytania: w jakim stopniu są z nami spokrewnieni neandertalczycy? Podobnie jak współcześni ludzie, te hominidy o szerokich szczękach i wydatnej kości brwiowej żyły w jaskiniach i malowały na ścianach, tworzyły kapelusze i ozdabiały swoje ciała kwiatami na długo przed tym, jak współcześni ludzie postawili stopę w Europie. Jednak wymarły, a liczba ludzi osiągnęła miliard i rozproszyła się po całym świecie.
Porównując nasze genomy, zespół Paabo zidentyfikował kilka regionów zawierających wariacje DNA - zmiany, które mogą pomóc ludziom się przystosować. Wśród nich są regiony genomowe, które odgrywają rolę w rozwoju poznawczym.
Chociaż nasze szalenie różne losy mogą nie być całkowicie związane z różnicami w poznaniu, Paabo uważa, że jest to dobry punkt wyjścia. A dzięki organellom mózgu może teraz przetestować swój pomysł.
Kulki mózgowe
Organoidy mózgowe nazywane są inaczej: sfery mózgowe, mini-mózgi, organelle mózgowe. Te dziwaczne kulki lub krople do mózgu, wynalezione po raz pierwszy w 2013 roku, wyglądają dość przerażająco. Ale ponieważ ich wzrost odzwierciedla rozwój ludzkiego embrionalnego mózgu, kulki te szybko stały się ulubioną zabawką neuronaukowców.
Istnieje wiele różnych recept na wytwarzanie organelli mózgowych, ale zazwyczaj są one wytwarzane z ludzkich komórek macierzystych. Pod ścisłym nadzorem komórki powoli przekształcają się w zdeformowane fragmenty tkanki mózgowej przy użyciu chemicznej zupy. Podobnie jak w prawdziwym ludzkim mózgu, większość kropli zawiera strukturę podobną do kory mózgowej, pomarszczonej zewnętrznej warstwy mózgu, która organizuje funkcje poznawcze wyższego poziomu, takie jak uwaga, język i myśl.
Po wystarczającym czasie neurony w kulkach mózgowych są wypełnione aktywnością elektryczną i łączą się z sieciami neuronowymi, przy czym niektóre połączenia rozciągają się przez cały organoid. Te krople do mózgu nie są „mini-mózgami” w tym sensie, że mogą myśleć lub czuć, nie. Jednak dokładna analiza ich składu komórkowego i ekspresji genów ujawniła zestaw funkcjonalnych typów neuronów, których połączona praca przypomina mózg zarodka w drugim trymestrze ciąży.
Innymi słowy, kule mózgowe są idealnymi kandydatami do badania rozwoju mózgu. Od samego początku były używane do naśladowania autyzmu, schizofrenii i badania wpływu wirusa Zika na mózg płodu.
A teraz, dzięki Paabo, znajdą zastosowanie w paleontologii.
Odrodzenie neandertalczyków
Aby odtworzyć cały genom neandertalczyka, naukowcy musieliby zmienić milion genów. Ten ambitny cel nie jest obecnie możliwy nawet przy użyciu zaawansowanych narzędzi do edycji genomu, takich jak CRISPR.
Zamiast z grubsza edytować wszystkie warianty neandertalczyka w ludzkie komórki macierzyste, Paabo stosuje bardziej subtelne podejście: wprowadza tylko trzy kluczowe geny, które różnią się między ludźmi i neandertalczykami, a następnie śledzi wpływ tych genów na rozwój mózgu.
To sprawdzona metoda.
Kilka lat temu, współpracując z Wielandem Hattnerem, neurobiologiem z Instytutu Biologii Komórki Molekularnej i Genetyki im. Maxa Plancka, zespół wyhodował organelle mózgowe przy użyciu leukocytów od ludzi i innych naczelnych. Krople do mózgu ewoluowały przez kilka tygodni, umożliwiając naukowcom porównanie różnic w rozwoju komórek między gatunkami. Korzystając z mikroskopii na żywo, naukowcy odkryli, że ludzkie komórki stają się półtora raza dłuższe niż małpy, aby dostosować swoje chromosomy przed podzieleniem się na komórki potomne. To wydłużenie w jakiś sposób pomaga ludziom generować znacznie więcej nerwowych komórek macierzystych niż nasi najbliżsi krewniacy z rzędu naczelnych.
Paabo ma nadzieję znaleźć więcej tych uderzających różnic w mini-mózgach neandertalczyków, ponieważ mogą one wyjaśnić, dlaczego współcześni ludzie podbili jako gatunek.
„Najlepszym wynikiem byłoby to, że zmiany genetyczne prowadzą do dłuższego lub bardziej rozgałęzionego wzrostu neuronów” - mówi. „Można powiedzieć, że to jest biologiczna podstawa, dlaczego nasze mózgi funkcjonują inaczej”.
W końcu to dopiero początek badania wyjątkowości człowieka, które stało się możliwe dopiero teraz.
Ilya Khel