Een neanderthalerbot, een gemummificeerde Egyptische kat, een hond uit de Siberische permafrost, een steur uit de Romeinse tijd of middeleeuwse plantenresten: hun DNA bevat een schat aan informatie. Met nieuwe methodes, samengebracht onder de verzamelnaam next-generation sequencing, lukt het steeds beter de genetische code van zulke oude organismen te bemachtigen en te kraken. Natuurhistorische collecties zoals die van ons Instituut worden daardoor almaar relevanter.

Onderzoeker Gontran Sonet ontvangt ons in een van de drie labs in ons Instituut die gewijd zijn aan DNA-onderzoek. Onze collega is nieuwe manieren aan het testen om DNA te halen uit hondenbotten. Hij wil de nieuwe methodes voor DNA-analyse onder de knie krijgen.

Dit is het terrein van DNA-sequencing. Kort uitgelegd: de volgorde reconstrueren van de DNA-bouwstenen,  de nucleotiden , die bestaan uit de basen A(denine),C(cytosine), G(uanine) en T(hymine). Op die manier ontrafel je de genetische code van een dier of plant.

De meest courante sequencingmethode werd ontwikkeld door Frederick Sanger in de late jaren 1970. Sanger ontwikkelde een reeks biochemische reacties om de nucleotiden van een specifiek DNA-fragment in de juiste volgorde te plaatsen, met behulp van enzymen en fluorescerende moleculen. Dat reactieproces, waarbij het DNA-fragment vele malen gekopieerd wordt, gold decennialang als de standaardmethode voor DNA-sequencing.

Groot net

Specimens die al vele decennia in museumcollecties worden bewaard of pas zijn opgegraven uit archeologische sites kunnen door DNA-onderzoek inzicht bieden in het dieet van verdwenen volkeren, migratieroutes van de eerste Europeanen, waar en wanneer de hond of dromedaris werd gedomesticeerd, hoe een ziekte zich verspreidde of hoe het komt dat een soort uitstierf en een andere overleefde.

Het probleem bij onderzoek naar ‘ancient DNA’ of aDNA is dat het vreselijk moeilijk is om genetische informatie te ontfutselen uit die oude resten. De hoeveelheid en kwaliteit ervan is in de loop van de jaren sterk achteruitgegaan en werd besmet door parasieten of door de omgeving. Ter vergelijking: uit 1 gram vers organisch weefsel kun je ongeveer 1 microgram DNA halen, uit 1 gram van een oud specimen slechts tussen 0,0001 en 0,0000001 microgram.

De sequentie van aDNA volgens de Sangermethode levert amper bruikbare resultaten op. Daar komt  next-generation sequencing (NGS) op het toneel: met nieuwe, meer geavanceerde methodes is het mogelijk geworden om enorme hoeveelheden DNA-strengen tegelijkertijd te ordenen. En dat kan zelfs bij kleine stukjes DNA: zodra je de sequenties van dertig overlappende nucleotidenparen vindt, kun je de DNA-clusters analyseren en reconstrueren. Deze nieuwe methodes vergelijkt Gontran met een groot net: ze kosten veel, maar je vangt enorm veel informatie.

Gontran leidt ons helemaal naar de top van het Instituut, waar het DNA wordt voorbereid op dat ‘grote vangnet’. In tegenstelling tot de andere twee labs, die ruim zijn en waar het licht door grote ramen naar binnen valt, is dit een afgesloten kamertje waar je maar met twee mensen in kunt. Om de kostbare DNA-samples te beschermen tegen besmetting zijn er heel wat voorzorgsmaatregelen genomen: de deur is afgesloten met een wachtwoord. Binnen is nog een aparte ruimte voor de onderzoekers om een labjas aan te doen en een masker op te zetten. Het eigenlijke lab heeft een speciaal luchtcirculatiesysteem en speciale UV-lampen die ongewenst DNA vernietigen.

Kattenmummies

Next-generation sequencing deed voor wetenschappers een nieuwe wereld opengegaan: botten en fossiele resten die in het verleden weinig konden betekenen, bieden nu unieke inzichten in het verleden. Zo brengt Claudio Ottoni van de KU Leuven op basis van onder andere kattenmummies in kaart waar en wanneer katten door de mensen werden gedomesticeerd.

Ottoni is een van de wetenschappers die op zoek zijn naar de beste methodes om aDNA te ontrafelen en een van de zes experts die in juni hun inzichten kwamen presenteerden tijdens een workshop. Leden van het Belgische Netwerk voor DNA-barcoding (BeBoL) deelden met Europese experten hun ervaringen over onderzoek naar DNA in oude botten, opgezette dieren, gedroogde planten en insecten.

'We moeten een strikt protocol volgen. In sommige gevallen is slechts 0,1 procent van het DNA afkomstig van een tand effectief van het dier dat we proberen te onderzoeken', zegt Katerina Guschanski. De onderzoekster van de Uppsala Universiteit in Zweden bestudeerde de diversificatie van de verschillende soorten meerkatten. Omdat die aapjes moeilijk te vinden zijn, en bovendien een derde van de soorten beschermd is, moest ze aan de slag met opgezette exemplaren uit museumcollecties over de hele wereld, waaronder specimens in onze bewaarzalen en die van het Koninklijk Museum voor Midden-Afrika. 'Natuurwetenschappelijke collecties zijn van onschatbare waarde voor dergelijk onderzoek', zegt ze.

De toekomst van oeroud DNA

Gontran verwacht dat de nieuwe wereld van next-generation sequencing op grenzen zal stoten. ‘Er verschijnen vandaag enorm veel studies gebaseerd op NGS, in de meest diverse onderzoeksvelden. Dat levert ‘big data’ op. Maar om zeker te zijn dat nieuwe onderzoeken betrouwbaar zijn, moeten we onze procedures nog standaardiseren en dubbelchecken. Pas dan zullen we een beeld krijgen van wat tot de mogelijkheden behoort, en wat met deze technologieën nog toekomstmuziek is.’

Hij duwt dan ook enkele spannende ideeën voorlopig de kop in: Neen, DNA ontrafelen van dino’s is vandaag geen optie. ‘DNA overleeft niet eeuwig: bij overblijfselen van dinosauriërs, die op zijn minst 65 miljoen jaar oud zijn, is het DNA zodanig gefragmenteerd dat het onmogelijk is om het genoom te reconstrueren.’ Ook het terugbrengen van uitgestorven soorten, zoals de mammoet of de dodo, is nog niet aan de orde. ’DNA is niet alles: het dier dat uit een olifant wordt geboren met gereconstrueerd DNA van een mammoet, is een genetisch gemodificeerd organisme dat nog steeds veel eigenschappen van een mammoet mist.’

Als we kijken naar wat op dit ogenblik wél al kan, wordt duidelijk dat ons instituut een belangrijke rol te vervullen heeft in modern DNA-onderzoek. Een collectie van 37 miljoen specimens biedt enorm veel mogelijkheden tot nieuwe DNA-studies. Gontran: ‘In de onderzoekseenheid JEMU – die zowel tot ons Instituut en als tot het Koninklijk Museum voor Midden-Afrika behoort – willen we onze expertise in dit domein vergroten, zodat we rechtstreeks met onze museumcollectie kunnen werken.’

Het onderzoeksproject Joint Experimental Molecular Unit (JEMU) wordt gefinancierd door BELSPO en gesteund door het Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen en het Koninklijk Museum voor Midden-Afrika (KMMA). JEMU richt zich op de ondersteuning van wetenschappelijk onderzoek op natuurhistorische collecties in de domeinen van DNA-barcoding, fylogenetisch onderzoek en de archivering van biologische soorten. Het JEMU-team bestaat uit Massimiliano Virgilio, Carl Vangestel, Nathalie Smitz, Gontran Sonet en wordt aangestuurd door Thierry Backeljau en Marc De Meyer.