Dna-analys
GENTEKNIK. Genetikprofessor Mattias Jakobsson står bakom flera av de senaste upptäckterna om våra förfäder. Han tror att dna-analys i framtiden blir det standardverktyg för arkeologin som kolfjorton-datering är i dag.
r skåpet på arbetsrummet på Avdelningen för människans evolution på Uppsala universitet plockar Mattias Jakobsson fram små plastpåsar med benbitar. En av påsarna innehåller ett öronben. – Öronben är en favorit. Det är extra hårt och kompakt och fungerar som en bra förpackning för dna-materialet. Tänder är också väldigt användbara, säger han och håller upp en annan påse med en gulnad tand.
För tusen år sedan tillhörde den en människa i nuvarande Frankrike. Ur tanden har en minimal bit borrats bort. Ingreppet är omöjligt att se, ändå innehåller det utborrade tandpulvret tillräckligt mycket dna för att Mattias Jakobsson och hans kolleger ska kunna kartlägga i princip hela arvsmassan – genomet – hos den här gamla individen. – Resultatet blir lika bra som från ett salivprov från en nutida människa, förklarar han.
På mindre än tio år har tekniken för att analysera gammalt dna genomgått en makalös utveckling. Från att ha varit ett oerhört mödosamt och tidsödande arbete att ens få fram små snuttar genetiskt material, går det i dag att läsa av ett helt genom på några månader. En avgörande orsak är att sekvense-ringsmaskinerna, som avläser den genetiska koden, har blivit effektivare samtidigt som kostnaderna sjunkit dramatisk. Och tekniken fortsätter att utvecklas.
– Vi håller till exempel på med en ny metod att ta prover så att vi kan få ut tio gånger mer dna ur samma mängd ben, säger Mattias Jakobsson.
De första dna-kartläggningarna
av gamla skelett byggde på så kallat mitokondrie-dna. Det är lättare att analysera eftersom varje cell innehåller flera tusen mitokondrier. Nackdelarna är att det bara innehåller en liten mängd genetiskt material och att det bara ärvs på mödernet.
I Mattias Jakobssons labb är mitokondrie-tekniken numera passé. Här fokuserar forskarna på kärn-dna, det vill säga dna från cellkärnan, som innehåller alla de tre miljarder baspar som människans arvsmassa består av. Det betyder att forskarna får mycket mer information att jobba med.
– Det fullkomligt exploderar. Bara att lagra allt är en utmaning. Det handlar om hundratals terabyte.
Med hjälp av avancerade beräkningar och superdatorer växer en ny bild fram av vår tidiga historia ur all data. Mattias Jakobsson och hans kolleger har bidragit med flera viktiga pusselbitar.
År 2012 presenterade de det första genetiska beviset för att jordbruket kom till Skandinavien genom invandring. Analyser
av kärn-dna visade tydliga skillnader mellan bondebefolkningen och samtida jägare. Studien, som publicerades i Science, fick stor uppmärksamhet och har senare bekräftats i mängder av liknande kartläggningar.
I november förra året kom en ny studie i Science som visar att den moderna människan uppstått tidigare än vad man tidigare trott. Tillsammans med forskare i Sydafrika räknade Uppsala-teamet fram att det fanns moderna människor – Homo sapiens –i södra Afrika för mellan 260 000 och 350 000 år sedan, omkring 100 000 år tidigare än vad forskarna tidigare räknat med (se Populär arkeologi 5/17).
Och i januari i år kunde forskarna för första gången genetiskt visa att migrationen till Skandinavien efter senaste istiden kom från både söder och nordost (se sidan 7).
– Vi är mitt i en väldigt spännande utveckling. När vi ser tillbaka om 50 år kommer vi att förstå hur oerhört snabbt det går just nu, säger Mattias Jakobsson. Framför allt får vi en mycket mer detaljerad bild av vår tidiga utveckling.
Dna avslöjar inte bara släktskap och hur de tidiga människorna rörde sig. Generna bär på information om egenskaper som färg på hud, ögon och hår. Metoderna för att avgöra hud- och ögonfärg utifrån dna-analys håller på att utvecklas och är ännu inte helt pålitliga, eftersom de bygger på statistik av flera genetiska markörer.
Det genetiska arvet avgör även sådant som laktosintolerans i vuxen ålder och malariaresistens. Just hur sjukdomar har uppkommit och spridits genom historien är ett område som det forskas alltmer på.
– Sjukdomar kopplade till genetik är jättespännande och något som våra medicinska kolleger blir mer och mer intresserad av, säger Mattias Jakobsson.
För att få fler att anamma den senaste dna-tekniken vill han göra den mer tillgänglig. Tillsammans med Anders Götherström vid Stockholms universitet har han därför tagit initiativ till ett nytt nationellt labb för analys av gammalt dna – Ancient dna facility.
Labbet, som blir en del av det nationella Science for life laboratory, är på gång, och de första pilotprojekten planeras till hösten. När det är i full drift ska arkeologer och andra forskare kunna skicka sina benbitar för att få svar på frågor kopplade till variationer i arvsmassan. Den kan vara allt från en enkel könsbestämning till en komplex analys av släktskap mellan flera olika individer. Det nya labbet blir en ny, avskild del av det befintliga labbet för gammalt dna som ligger en bit bort i korridoren på Avdelningen för människans evolution. Efter att personalen har försäkrat sig om att jag inte har besökt några andra genetiska labb får jag titta in genom dörren till omklädningsrummet. Några vita rockar hänger på krokar. En stängd dörr leder in till en luftsluss. När jag försöker ta ett kliv över tröskeln blir det stopp. Renhetskraven är rigorösa. De som arbetar i labbet bär vita overaller, hårnät och visir framför ansiktet. Minsta dammkorn utifrån kan innehålla mängder med dna som smutsar ner de känsliga proverna.
Mattias Jakobsson förklarar
i stället hur processen går till. Först borras i ett prov ur benet. Det pulveriserade benet behandlas kemiskt så att dna kan extraheras och kopieras. Eftersom det har gått tusentals år sedan tandens ägare dog har de långa spiralformade dna-molekylerna brutits ner till korta snuttar på ungefär 50 baspar. Dessutom är det uppblandat med dna från svampar, bakterier och annat som också finns i benet.
– I vissa fall kan 99 procent vara sådant som vi inte är intresserade av.
Tidigare var det ett tungt arbete att sålla bort allt ovidkommande dna. Nu skickas rubb och stubb för avläsning. Efter att ha märkts så att dna-bitarna kan kopplas till ett visst prov, skickas proverna vidare till de topp moderna sekvens e rings maskinerna på Science for life laboratory en bit bort på
universitetsområdet. Blixtsnabbt tuggar de sig igenom alla de miljarder dna-snuttar som finns i varje prov. Utkommer ordningen på de A,T,C och G som de är uppbyggda av.
När sekvenserna väl fastställts tar superdatorerna vid. Med hjälp av olika analysprogram sorteras dna från bakterier och annat bort så att bara mänskligt dna finns kvar. Likt ett gigantiskt pussel sätts snuttarna ihop till ett helt genom med hjälp av en referens. Nästa steg är att avgöra om det rör sig om riktigt gammalt dna. Det kan ju lika gärna komma från arkeologen som grävde fram skelettet för kanske hundra år sedan.
Men även det problemet klarar datorerna. Nyckeln är en kemisk process som ger ett visst skademönster på dna:t och som förändras med tiden.
Resultatet blir en närmast fullständig sekvens av alla de tre miljarder baspar som det mänskliga genomet består av. Men forskarna nöjer sig inte med det. För att få riktigt hög kvalitet på informationen sekvenseras samma genom dessutom flera gånger.
Att få fram genetisk data med så hög upplösning från gamla skelett har bara varit möjligt under några få år, och antalet individer som kartlagts på det här sättet är högst begränsat. Men ju fler individerna blir, desto mer kan vi lära oss om våra tidiga förfäder.
I projektet The Atlas of 1 000 ancient genomes kartlägger Mattias Jakobsson den genetiska variationen hos 1 000 individer som levde för mellan 1 000 och 50 000 år sedan i Europa och Asien. Arbetet ska resultera i en öppen databas som även innehåller arkeologiska data, isotopanalyser och miljödata. Målet är att ge den hittills mest detaljerade bilden av hur förhistoriens människor levde och rörde sig. Projektet leds gemensamt med Anders Götherström och Jan Storå vid Stockholms universitet, och ett 30-tal genetiker, arkeologer och osteologer deltar.
En annan stor fråga som Mattias Jakobsson söker svar på är hur vi en gång blev moderna människor. Svaret söker han i Afrika dit han reser flera gånger varje år.
– Vårt angreppssätt är att titta på den genetiska variationen hos moderna människor och jämföra med förhistoriska individer och försöka fånga de djupaste förgreningarna.
Science- studien från i höstas bygger på den här typen av beräkningar. Nu är han på jakt efter fler intressanta ben som kan bidra med nya ledtrådar om vilka viktiga genetiska förändringar som skedde före 300 000 år sedan och som gjorde oss till dem vi är i dag.
Han tror att svaret är mer komplicerat än vad vi tidigare trott.
– Skulle jag satsa pengar på något så är det att den moderna människan utvecklats på flera olika platser i Afrika som sedan utvecklats till oss.
Om och hur de olika grupperna i så fall möttes är fortfarande oklart. En annan stor fråga är vilka gener som var avgörande för Homo sapiens dominans.
För att hitta svaret på denna och alla andra stora frågor om vårt ursprung kommer gentekniken att bli ett allt viktigare verktyg. – Acceptansen för dna-analyser växer bland arkeologer som ytterligare ett sätt att förstå forntiden. I framtiden tror jag att det kommer att bli ett standardverktyg på samma sätt som kol-fjorton-dateringen är nu, säger Mattias Jakobsson.
”Det blir den standard som kol-fjorton-datering är nu”