Ar modernām tehnoloģijām pārrakstīt cilvēka evolūcijas vēsturi  (1)

Pie Maksa Planka Evolucionārās antropoloģijas institūta (Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology) Leipcigā ir dīķis, kurā studenti pret savu gribu spiesti izpeldēties pēc doktora grāda saņemšanas. Kopš pērnā oktobra šī tradīcija paplašināta, kad brīvprātīgi obligātā kārtā pie atvēsinošas peldes par godu saņemtajai Nobela prēmijai fizioloģijā un medicīnā tika arī institūta dibinātājs un direktors, profesors Svante Pēbo (Svante Pääbo, titulbildē).

Bioloģijas zinātņu doktore Dženeta Kelso cieši sadarbojas ar profesoru Pēbo kopš 2004. gada, pētot izmirušo hominīnu genomus. Vispirms viņi strādāja ar lielo pērtiķu DNS, cenšoties izprast, kas mūsdienu cilvēkus atšķir no mūsu dzīvajiem radiniekiem. Tad komanda pievērsās neandertālieša genoma projektam ("Neanderthal Genome Project"), kurā sekvencēja mūsu izmirušo radinieku genomus, nejauši atklājot arī iepriekš nezināmus hominīnus – deņisoviešus. Pateicoties DNS sekvencēšanas tehnoloģijas straujai attīstībai, ir radusies pavisam jauna zinātnes nozare: paleogenomika. Šajā jomā veiktie atklājumi liek nepārtraukti atjaunināt mācību grāmatas par cilvēka evolūciju.

"Arheoloģija un antropoloģija mums devusi daudz informācijas par cilvēces vēsturi, taču pēdējā laikā tieši ģenētika ir sniegusi apbrīnojumu pienesumu šai jomai," stāsta Kelso, vienlaikus norādot, ka institūta komanda sevi var uzskatīt par veiksminiekiem, jo Maksa Planka biedrība un Eiropas Pētījumu padome noticēja un atbalstīja viņu ieceri sekvencēt seno DNS. Šobrīd paleogenomikas speciālistiem nākotne solās būt aizraujoša. "Protams, arī Nobela prēmija neskādē," smej Kelso, pieslēdzoties intervijai no sava biroja Leipcigā. Marta izskaņā viņa būs Rīgā, lai atklātu Rīgas Stradiņa universitātes (RSU) "Zinātnes nedēļu 2023" ar runu par to, kā seno cilvēku izzināšana var palīdzē mums nākotnē.

Jums ir bakalaura grāds bioloģijā, maģistra grāds – ķīmiskajā patoloģijā, savukārt doktora grāds – bioinformātikā. Kā nonācāt līdz zinātnei un nolēmāt pievērsties tieši šīm apakšnozarēm?

Zinātne mani saistījusi vienmēr, un vecāki manu zinātkāri allaž ļoti veicināja. Daba un dzīvnieki bija manā interešu lokā, taču es nezināju, ko vēlētos apgūt. Tieši tādēļ sāku studēt bioloģiju. Studiju laikā un saziņā ar pētniekiem, sapratu, ka mani interesē molekulārā bioloģija un ģenētika. Tolaik vēl nebija pieejams gandrīz neviena organisma genoms (DNS sekvence). Mani interesēja, kā iespējams izmantot DNS, lai izprastu cilvēces izcelsmi un molekulāro evolūciju, tādēļ izvēlējos studēt molekulāro bioloģiju un bioķīmiju – būtībā apguvu iemaņas, kas nepieciešamas datu interpretēšanai.

Tuvojoties absolvēšanai, sapratu, ka molekulārajā bioloģijā arvien vairāk nepieciešama skaitļošana. Genoma sekvencēšana tika izmantota arvien biežāk, un kļuva skaidrs, ka DNS sekvences nebūs iespējams pārzināt, pētīt un analizēt manuāli, kā tas bija pieņemts līdz tam. Tādējādi man radās interese par skaitļošanas bioloģiju, kas aizveda līdz doktora grādam bioinformātikā.

Nāku no Dienvidāfrikas un manas doktora disertācijas vadītājs Vinstons Haids (Winston Hide) bija pirmais bioinformātiķis Dienvidāfrikā. Viņš izveidoja jaunu institūtu, kas pulcēja faktiski pirmo bioinformātikas studentu grupu Dienvidāfrikā. Noslēdzoties pēcdoktorantūras periodam, pārcēlos uz Vāciju.

Šķiet, ka bioinformātika Vācijā ir labi attīstīta joma.

Jā, līmenis skaitļošanas bioloģijā te ir augsts. Daudzi pētnieki no Vācijas bija iesaistīti arī starptautiskajā projektā ar mērķi sekvencēt un analizēt cilvēka genomu ("Human Genome Project"). Agrāk tā nebija, taču tagad informātika ir kļuvusi par arvien ierastāku izvēli, ko bioloģijas studenti apgūst savas studiju programmas ietvaros. Studentiem no Vācijas, kas strādā mūsu institūtā, ir visnotaļ laba izglītība un pieredze, vismaz atsevišķos DNS sekvenču datoranalīzes aspektos.

Kādas ir sajūtas, strādājot jomā, kas attīstās tik dinamiski?

Tas ir ļoti aizraujoši, un man nudien ir paveicies darboties šajā nozarē! Uz Vāciju pārcēlos, lai strādātu salīdzinošajā genomikā, taču tobrīd pieejami bija tikai nedaudz neandertāliešu DNS sekvencēto datu un nebija skaidra veida, kā izgūt visu genomu. Tāpēc mēs strādājām ar šimpanzēm un bonobo, cenšoties saprast, kas mūsdienu cilvēku atšķir no mūsu dzīvajiem radiniekiem – lielajiem pērtiķiem. Pēcāk man radās iespēja strādāt ar neandertālieša genomu. Šie ir bijuši 15 ļoti aizraujoši gadi!

^{Foto: Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology}

Joma ir progresējusi ārkārtīgi strauji, pateicoties grandiozai DNS sekvencēšanas tehnoloģiju attīstībai, bez kuras mēs nespētu rekonstruēt senos genomus. Arheoloģiskajos izrakumos atrastajos kaulos vai zobos seno cilvēku DNS faktiski ir ļoti fragmentēts – lielāko daļu tajos veido mikrobu DNS. Lai iegūtu pietiekami daudz materiāla senā genoma rekonstruēšanai, mums nepieciešams sekvencēt miljonus un miljardus DNS fragmentu, un tas ir iespējams, pateicoties jaunajām sekvencēšanas tehnoloģijām.

Jūsu nodaļa pēta senās sugas, strādājot ar paraugiem, kas ir pat 400 000 gadus veci. Cik pieejami tie ir?

Jā, manas komandas uzmanības centrā ir izmirušie cilvēki – neandertālieši, deņisovieši un citi, iespējams, arī senāki tipi. Pie arhaisko cilvēku skeleta atliekām parasti nonākam, pateicoties arheologiem vai muzeju kuratoriem, kurus interesē kolekcijas ģenētiskās analīzes. Nesen viens no maniem kolēģiem Matiass Meijers (Matthias Meyer) veiksmīgi izstrādāja metodes cilvēka DNS ekstrahēšanai no seniem nogulumiem. Tas dod iespēju pētīt vietas, kurās nav daudz kaulu, vai arī kauli un zobi ir ļoti vērtīgi un grūti iegūstami.

Minētais ir daļa no pavisam jaunas zinātniskā disciplīnas – paleogenomikas, kuru virzīja jūsu institūts Svantes Pēbo vadībā. Jūs ne tikai sekmīgi sekvencējāt neandertālieša genomu, bet arī atklājāt iepriekš nezināmu hominīnu – deņisovieti. Kādas ir sajūtas tagad, kad jūsu dēļ ir jāpārraksta cilvēces evolūcijas vēsture?

[Smejas] Šis ir patiešām aizraujošs laiks! Lai gan šīs jomas mācībspēkiem nav viegli, jo katru nedēļu tiek publicēts jauns raksts un tādējādi nākas pastāvīgi atjaunot informāciju gan par tehnoloģijām, gan atklājumiem.

Runājot par deņisoviešiem – šī iepriekš nezināmā hominīna atklāšana bija liela veiksme. Denisa alā, ļoti skaistā vieta Altaja kalnos, rit arheoloģiskie izrakumi un regulāri tiek iegūtas jaunas fosilijas. Kad arheologi mums sagādāja nelielu pirksta kauliņu, nodomājām, ka mums ir darīšana ar neandertālieti vai, iespējams, mūsdienu cilvēku. Kaula DNS sekvencēšana parādīja, ka tas nav ne neandertālietis, ne mūsdienu cilvēks, tātad bija atklāts jauns hominīns, kas pieder seno cilvēku grupai, kurus tagad saucam par deņisoviešiem. Genoma informācija liecina, ka deņisovieši bija radniecīga grupa neandertāliešiem, bet ar savu neatkarīgu vēsturi. Lai arī deņisoviešu fosilijas vēl aizvien ir diezgan retas, liecības par viņiem atrodamas gan Sibīrijā, gan Tibetas plato, un mēs domājam, ka viņi bija plaši sastopami visā Āzijā.

Kāpēc, jūsuprāt, ir būtiski ielūkoties tik dziļi pagātnē?

Izpratne par cilvēces vēsturi ir ļoti svarīga. Pirms mūsu rīcībā nokļuva neandertāliešu genoma sekvences, mēs nevarējām būt droši, vai mūsdienu cilvēki ir tieši neandertāliešu pēcteči, vai arī brālēni ar kopīgu priekšteci.

Iedziļināšanās pagātnē sniedz informāciju ne tikai par senajiem, bet arī mūsdienu cilvēkiem, mūsu ģenētisko daudzveidību.

Maksa Planka Evolucionārās antropoloģijas institūts (Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology) ir iespaidīga un ļoti ietekmīga iestāde. Ar ko nodarbojas Jūsu zinātniskā grupa?

Mūsu institūtu veido sešas starpnozaru nodaļas un vairākas pētījumu grupas. Es vadu bioinformātikas pētījumu grupu, kas ietilpst Svantes Pēbo vadītajā Evolucionārās ģenētikas nodaļā (Department of Evolutionary Genetics). Nodaļas un pētnieku grupas ir ļoti starpdisciplināras un cieši sadarbojas dažādos senās DNS izgūšanas, sekvencēšanas un analīzes aspektos. Mana komanda ir iesaistīta programmatūras un analīzes sistēmu izstrādē genomu rekonstruēšanai un analīzei.

Mēs darbojamies ļoti saskaņoti, un tā ir viena no mūsu stiprajām pusēm. Genoma pētīšanai nepieciešama izteikti multidisciplināra pieeja. Pulcējot speciālistus ar dažādu izglītību un pieredzi, kā, piemēram ķīmiķus, bioķīmiķus, molekulāros biologus, inženierus un fiziķus, katrs no mums risina problēmu savas kompetences ietvaros, un tādējādi spējam raiti virzīties uz priekšu.

Mūsdienu zinātnieki arī daudz pārvietojas, gluži kā senie cilvēki, vai ne? Cik valstu pārstāvji ir institūta komandā?

Nezinu, cik valstis ir pārstāvētas, bet mūsu kolektīvs ir patiešām daudznacionāls. Mūsu pētījumu grupā vien ir speciālisti no Francijas, Vācijas, Itālijas, Dienvidāfrikas un ASV. Tā kā šī ir mācību iestāde, mums ir daudz doktorantūras un pēcdoktorantūras studenti, kas pavada te pāris gadus, pirms dodas tālāk. Cilvēki nepārtraukti nāk un iet. Kolektīvs ir ne tikai daudznozaru, bet arī daudznacionāls, kas ir brīnišķīgi.

Runājot par vēl vienu izteikti daudznozaru un daudznacionālu pasākumu "RSU Zinātnes nedēļu" (RSU Research Week), lūdzu, ieskicējiet jūsu galvenās runas tēmu?

Sākšu ar pārskatu par jomu. Izstāstīšu, ko līdz šim esam uzzinājuši par neandertāliešiem un deņisoviešiem. Vairākus gadus mani īpaši interesēja tas, kā ir krustojušies neandertālieši un mūsdienu cilvēki, kā arī deņisovieši un mūsdienu cilvēki. Es pētu, ko tas stāsta par mūsdienu cilvēku pārvietošanos un kādas funkcionālās sekas tas ir radījis mūsdienu cilvēkiem.

Mūsu Zinātnes nedēļā rīkotajās konferencēs un citos pasākumos pulcēsies starpnozaru zinātnieki, studenti, kā arī dalībnieki no valsts pārvaldes, nevalstiskā sektora, dažādām asociācijām, utt. Ir zināms, ka jūs ne tikai strādājat institūtā, bet arī Starptautiskajā Skaitļošanas bioloģijas biedrībā (International Society for Computational Biology (ISCB)). Pieļauju, ka bieži vakari un nedēļas nogales jāvelta darbam. Kādu labumu tas sniedz?

ISCB esmu bijusi iesaistīta gadiem un ļoti augstu vērtēju to enerģiju un atvērtības kultūru, kas šai skaitļošanas biologu komūnā valda. Sajūta, ka sniedz savu artavu, ir ļoti laba. Šai organizācija īpaši aktīva ir studentu grupa, kas nāk klajā ar iniciatīvām un pasākumiem. Man patīk strādāt ar studentiem zinātniskajās grupās un arī ar saviem studentiem šeit, institūtā. Raugos uz to kā uz ieguldījumu, kas palīdz virzīt šīs jomas attīstību.