科学家如何从古老骨骼中分析古DNA

拥有数百年历史的遗传物质可以解开历史谜团，从消失的物种到拿破仑军队的覆灭原因。

1976年，工人们在为加拿大多伦多地铁系统挖掘隧道时，发现了一些非常古老的骨头。研究人员通过放射性碳定年法确定，这个不完整的头骨和鹿角碎片大约有12000年的历史。

正如任何在多伦多生活过的人都会告诉你的那样，等一趟车等上万年感觉并不稀奇。但不同寻常的是 —— 至少对当今的生物学家而言 —— 这些化石是多伦多羚羊（一种现已灭绝的有蹄类动物）已知的唯一标本。直到最近，多伦多羚羊在进化史上的确切位置一直是个谜。但在十月份，研究人员发现这种有蹄类动物是白尾鹿的近亲，这一发现要归功于DNA测序的神奇力量。

但是，科学家究竟是如何从有数千年历史的骨骼中提取DNA的呢？嗯，这需要一个无菌实验室、一些钻孔工作和相当一部分运气。

DNA无处不在，而这可能是个问题

我们都生活在一个名副其实的"DNA汤"里。每一次打喷嚏和咳嗽都会让我们自身的微小碎片飘散在空气中并沉降到地面上，但我们周围还存在着看不见的细菌和病毒，它们都拥有自己的DNA。

正如领导多伦多羚羊测序研究的特伦特大学副教授亚伦·谢弗所解释的那样，周围漂浮的DNA要求必须建立一个可以用紫外线照射以杀死任何潜在污染物的实验室。研究人员穿着无菌的"兔宝宝服"连体工作服，戴着N95口罩，再次用紫外线照射化石，杀死附着在外层的任何病毒和细菌，然后刮掉那层外皮，作为又一项无菌措施。接着使用钻头进入骨骼内部，产生细小的骨粉。

"我们获取这些粉末，然后你就在心里祈祷，希望粉末中含有携带DNA片段的细胞，"谢弗说。

有时外部DNA来源也很有用

虽然外部DNA来源对谢弗研究多伦多羚羊来说可能是个问题，但对于其他研究人员而言，那些病毒和细菌可能正是他们研究的全部意义所在。当巴黎巴斯德研究所的生物学家尼古拉斯·拉斯科万检查拿破仑军队士兵的牙齿时，他并不太关心士兵本身。相反，他想找出这些士兵在1812年从俄罗斯撤退时死亡的原因。

在最近的一篇论文中，他阐述了如何通过牙齿的DNA测序揭示这些士兵死于肠道热和回归热。在那个案例中，他们打开牙齿以获取牙髓 —— 这种软组织有血液供应。研究团队随后从该组织中提取了那些不幸士兵所携带的致命细菌的DNA。

如何分离DNA

研究人员获得DNA骨粉后，就到了分离DNA的时候了。粉末中还混有许多非DNA物质，比如蛋白质。在拉斯科万的研究中，他使用化学试剂溶解不需要的物质，同时保留他目标中的DNA。然后将溶液与带正电荷的硅粉混合，并用离心机一起搅拌。

"DNA链带有多个负电荷，"他说。"这意味着，如果你有带正电荷的东西，它就可以像磁铁一样工作。"这种磁性有助于DNA链附着在硅上，以便随后读取这些DNA链。

用精密机器将DNA数字化

然后，这些实体的DNA需要被数字化，以便进行分析。虽然市场上有几种测序仪，但拉斯科万表示，最常见的是来自一家名为Illumina公司的机器。

这些机器内部已经有一个可以识别的人工合成的DNA分子库，这些分子被称为"接头"。这些接头非常微小，以埃（一米的百亿分之一）为单位测量，然后与原始样本混合。接头充当标签，确保Illumina机器能够读取与之结合的DNA链。

DNA由数十亿对称为核苷酸的构建模块组成。测序仪充当一种相机，对样本进行"拍照"，并利用接头识别碱基对，将它们编译成文本文件。生命的构建模块至此已转化为可以查看、分类、分析和比较的数字数据。

处理古DNA可能很棘手

尽管DNA测序如今有广泛的用途，从刑事取证到医学研究，但对于年代较久的样本，它可能特别难以使用，因为这些样本中的DNA链可能已受损或不完整。幸运的是，DNA在数百万年间变化相对较小。对谢弗的研究来说，这意味着可以利用化学反应来填补或修复任何缺失或损坏的部分。

"如果你比较一个新样本和一个古老样本的同一DNA区域，会发现古老样本中有某些碱基对出现了偏差，"他说。"这就是线索，表明它们发生了非自然的变化。"

但还有一个问题：测序仪会分析样本中的所有DNA，无论是否是研究人员正在寻找的。对拉斯科万来说，这意味着样本中可能既有士兵的DNA；对谢弗而言，则可能包含任何进入多伦多羚羊化石的微生物DNA，以及在埋藏期间可能进入样本的任何其他来源的DNA。

拉斯科万将这个过程比作拿一堆书，撕下所有书页，混合在一起，然后试图找出其中一本书的情节。DNA链的数字化意味着每个DNA片段都可以与整个数据库进行比较，从而不仅确定哪些片段是真正相关的，还能确定它们与已知动物、细菌和病毒的比对情况。对拉斯科万来说，这意味着将DNA链与斑疹伤寒等致病细菌的DNA进行比较，以确定200多年前导致拿破仑士兵死亡的元凶。对谢弗而言，这使他能够通过将古DNA与鹿和北美驯鹿等现代动物的DNA进行比较，精确判定多伦多羚羊在生命树上的位置。

拉斯科万和谢弗都承认，除了某些真正令人惊叹的技术之外，他们成功的另一个关键因素是：运气。如果时间过去太久，或者样本埋藏在过于温暖或潮湿的环境中，他们寻找的DNA就可能降解到毫无用处的程度。然而，技术正在不断进步，随着时间的推移，测序技术将可应用于越来越多的样本。

"技术已经进步了太多，"谢弗说。"有项研究甚至从百万年前的化石中识别出了DNA。只要DNA还在那里，只要保存完好，我们现在就有能力获取它。"

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