Forskere vil indsamle dna fra to millioner arter: Noas ark for gener
Det tog forskerne 13 år at kortlægge hele menneskets dna. Nu vil de på kun ti år lave et gigantisk bibliotek over alle dyrs, svampes og planters arvemateriale. Det afsindig ambitiøse projekt skal gøre os klogere på livets udvikling og redde de arter, som er allermest truede.
Jubelen ville ingen ende tage, da det i 2003 endelig lykkedes at kortlægge hele det menneskelige genom. I løbet af 13 år havde Human Genome Project fastlagt de næsten tre milliarder genetiske bogstaver, som udgør vores arvemasse.
Men selvom projektet var en milepæl for videnskaben, sigter forskerne nu langt højere.
De vil nemlig ikke blot kortlægge en enkelt arts genom, men indsamle og analysere det komplette dna fra hele to millioner organismer.
Projektet kaldes Earth BioGenome Project og skal i løbet af ti år kortlægge arvematerialet i samtlige af klodens komplekse livsformer, de såkaldte eukaryoter.
Overfloden af genetiske data skal ikke kun give det fulde overblik over udviklingen af dyr, planter og svampe – den skal også være med til at bevare truede arter.
Ilt banede vej for avanceret liv
Eukaryoter er betegnelsen for organismer, der har en cellekerne med arvemateriale i form af dna og mitokondrier til at producere energi.
De første simple eukaryoter opstod for mindst 2,7 milliarder år siden – omtrent på samme tidspunkt, som ilt dukkede op i Jordens atmosfære.
Da mitokondrier anvender ilt til energiproduktion, satte de forhøjede iltniveauer skub i eukaryoterne, og i takt med at iltkoncentrationerne nåede op omkring de niveauer, vi har i dag, tog livet for alvor fart.
Livet blev stadig mere avanceret
Fra små, simple organismer til komplekse dyr, svampe og planter – stamtræet over de såkaldte eukaryoter har forgrenet sig i mere end to milliarder år.
2,7 mia. år siden:
Eukaryoterne opstår
De første eukaryoter opstod for 2,7 milliarder år siden. Her begyndte små celler at leve inde i store, hvor de omdannede celleaffald til energi. De små celler er i dag kendt som mitokondrier, der producerer energi i alle eukaryoter.
2 mia. år siden:
Ilt puster liv i evolutionen
Mitokondrier kræver ilt, og da atmosfærens iltindhold steg, satte det for alvor skub i eukaryoters udvikling. For ca. to milliarder år siden opstod nogle af de første flercellede organismer i iltede, lavvandede områder.
1 mia. år siden:
Svampe gør kloden klar
De første avancerede eukaryoter var svampe, som levede i flodmundinger. For en milliard år siden begyndte svampene at nedbryde sten og frigive næringsstoffer, hvilket banede vejen for de næste eukaryoter.
700-500 mio. år siden:
Landplanter får rodfæste
Planteliv opstod i havet for ca. 700 millioner år siden, og 200 millioner år senere begyndte planterne at indtage landjorden i form af mosser. Landplanterne fik rodfæste takket være næringsstoffer frigjort af svampe.
541-485 mio. år siden:
Antallet af dyrearter eksploderer
Under den såkaldte kambriske eksplosion opstod et væld af nye dyrearter – herunder de første hvirveldyr, dvs. dyr med rygrad, i form af små fisk. Pattedyrenes oprindelse kan spores tilbage til triastiden for 225 mio. år siden.
Mængden af eukaryoter er eksploderet i løbet af de seneste 600 millioner år, og gruppen tæller i dag millioner af meget forskellige livsformer fra skimmelsvampe til ligusterhække og elefanter.
Beregninger viser, at kloden i dag er hjemsted for godt ni millioner arter af eukaryoter. Hidtil har videnskaben dog kun identificeret og navngivet omkring to millioner af dem, og mindre end 1 pct. af disse har fået kortlagt deres dna.
Men det skal projektet Earth BioGenome Project nu lave om på.
Genprojekt kortlægger alt liv
I et verdensomspændende samarbejde mellem forskere fra en lang række forskningsinstitutioner i bl.a. USA, Kina og Europa skal arvematerialet – de såkaldte genomer – kortlægges hos samtlige eukaryoter. På blot ti år skal forskerne altså opspore de to millioner kendte arter og udtrække dna fra dem.
Earth BioGenome Project har bl.a. indsamlet små leddyr på Beinn Eighe-bjerget i Skotland. Et af dyrene var et møl af arten aprilugle, som efterfølgende fik sit dna udtrukket.
Projektet involverer 44 institutioner fra 22 lande og samarbejder med 49 andre projekter, der også kortlægger genomer.
Et af dem, Vertebrate Genomes Project, sigter fx efter at kortlægge genomer fra alle ca. 70.000 dyrearter med en rygrad, mens et andet, Darwin Tree of Life, vil kortlægge alle eukaryoter i Storbritannien.
13 år tog det at kortlægge hele menneskets genom i 2003. I dag tager det 5 timer.
Indtil for nylig var idéen om at kortlægge alt dna’et fra næsten to millioner arter på blot ti år fuldstændig utænkelig, men hvor det i 2003 tog 13 år, kan den nyeste teknologi sekvensere hele menneskets genom på blot fem timer.
Og teknologien er ikke kun blevet bedre, den er også blevet markant billigere.
Mens det i 2003 kostede omkring 34 milliarder nutidskroner, er prisen for at kortlægge menneskets genom i dag under 7000 kroner. Tages der højde for inflationen, ventes Earth BioGenome Project at koste mindre end Human Genome Project.
Med andre ord er det billigere at kortlægge to millioner genomer i dag, end det var at kortlægge et enkelt genom for 20 år siden.
En acceleration i nye opdagelser
Efterhånden som forskerne i Earth BioGenome Project opsporer de forskellige arter, tager de vævsprøver og udvinder dna’et.
Arvematerialet i organismernes celler består af dna-strenge, som er opbygget af fire baser kaldet adenin, cytosin, guanin og thymin, også forkortet til bogstaverne A, C, G og T.
Herefter bruger forskerne en sekvenseringsmaskine til at bestemme den eksakte rækkefølge af bogstaverne og derved kortlægge organismernes unikke genomer. Til sidst uploades alle de kortlagte genomer til et digitalt bibliotek.
Dna trækkes ud af to millioner organismer
1. Arternes dna indsamles
Forskere fra 22 lande rejser verden rundt og indsamler vævsprøver fra samtlige kendte arter af eukaryoter. Fra vævet udvindes organismernes dna, som bliver isoleret og oprenset, før mængden af dna forøges med en teknik kaldet PCR.
2. Sekvensering aflæser genom
Herefter bliver dna’et ført ind i en sekvenseringsmaskine, hvor rækkefølgen af de genetiske bogstaver, A, C, T og G, i dna-strengene bliver aflæst. Hvert bogstav har en specifik farve, som gør det lettere at afkode rækkefølgen.
3. Digitalt bibliotek finder unikke træk
Når genomet er kortlagt, uploades det til et digitalt bibliotek. Herefter kan forskerne fx sammenligne genomer for at identificere gener og mutationer, der enten er ens i vidt forskellige organismer eller giver arterne unikke træk.
I dag kender forskerne blot det fulde genom på en håndfuld organismer – bl.a. mus, rotter, bananfluer og orme – og de fungerer derfor som modeller i hovedparten af den biologiske forskning. Men selvom forskningen i de få arter har afsløret mange interessante detaljer, er det kun en brøkdel i forhold til naturens sande mangfoldighed.
Mange store opdagelser er historisk set kommet fra underudforskede arter; fx afslørede Gregor Mendel arvelighedsprincippet ved at studere ærteplanten, mens kønskromosomer første gang blev opdaget i biller.
34.000.000.000 kr. kostede det at kortlægge det menneskelige genom i 2003. I dag er prisen under 7000 kr.
Biblioteket med de to millioner genomer vil først og fremmest give nye indsigter i dyrs og planters oprindelse og udvikling. Forskerne vil få en bedre forståelse af, hvordan eukaryoterne fungerer og interagerer, og hvad der adskiller familier, slægter og arter fra hinanden.
Sammenligninger af genomer har fx allerede afsløret, at arter, der umiddelbart er vidt forskellige, har langt mere tilfælles, end man skulle tro. Analyser viser bl.a., at 60 pct. af bananfluens gener også findes i mennesker, mens vi har 96 pct. af vores dna tilfælles med chimpanser.
Mange af de grundlæggende biokemiske processer er ens i dyreriget. Det er fx de samme gener, som sørger for, at ioner bliver transporteret ind og ud af nervecellerne og skaber de elektriske strømninger, der formidler information, hvad enten det foregår i mennesker eller i fårekyllinger.
Langt mere interessant bliver det, når vi dykker ned i de områder, hvor genomerne adskiller sig fra hinanden.
Dyrenes genomer er fyldt med overraskelser
Primater fik farvesyn
Jagten på farverige frugter blev betydelig lettere, da primater udviklede en kopi af genet LSW, som danner ekstra lysreceptorer på nethinden. Kopien betyder, at primater som de eneste pattedyr kan skelne mellem rød og grøn.
Mutationer camouflerer isbjørnen
I modsætning til andre bjørne har isbjørnen mutationer i generne LYST og AIM1, der koder for pelsens farve. Mutationerne blokerer generne, så pigment ikke bliver dannet. Pelsen bliver i stedet hvid og falder i ét med snelandskabet.
Spyt blev til gift
Giftslangers dødelige gift er et resultat af mutationer i proteiner og enzymer i deres spyt; fx er en gruppe potente giftstoffer kaldet SVSP’er tæt beslægtet med kallikrein, som er et enzym, der bl.a. findes i menneskespyt.
I 2021 fandt forskere fra Kina og Danmark de genetiske hemmeligheder bag giraffens lange hals – et fysisk træk, der kræver helt særlige tilpasninger.
Giraffen er fx nødt til at have et usædvanlig højt blodtryk for at få blod op til hjernen, og dens knogler er de hurtigst voksende i dyreriget.
En sammenligning med genomer fra 50 andre drøvtyggere, heriblandt giraffens nærmeste slægtning, den korthalsede okapi, afslørede 490 genvarianter, som kun findes i giraffen. Mange af tilpasningerne er relateret til knoglevækst og blodtryk. Giraffer har fx en unik variant af genet FGFRL1, der beskytter mod organskader forbundet med forhøjet blodtryk.
Giraffen har en særlig variant af genet FGFRL1, der beskytter organerne mod forhøjet blodtryk.
Fund som dette giver ikke kun indblik i udviklingen af giraffens lange hals, men inspirerer også forskerne til, hvordan hjerte-kar-sygdomme kan behandles og forebygges i mennesker.
Med et kartotek over to millioner arters genomer vil forskerne som aldrig før kunne afkode genernes hemmeligheder, og det vil lede til et væld af nye opdagelser.
Gener viser evolutionens gang
Forskerne er bl.a. interesserede i at afklare, hvad det var for nogle forandringer i genomerne, der banede vej for flercellede organismer og gjorde naturen så mangfoldig. Det vil nemlig kunne redde truede arter.
Organisationer og forskere advarer i dag om katastrofale tab af økosystemer og biodiversitet og mener, at vi lige nu er i fuld gang med den sjette masseudryddelse i klodens historie.
Ifølge Verdensnaturfonden, WWF, er verdens bestande af hvirveldyr – som bl.a. tæller fisk, krybdyr og pattedyr – faldet med 69 pct. siden 1970. Og opgørelser fra Den Internationale Naturbeskyttelsesorganisation, IUCN, viser, at 28 pct. af de undersøgte dyre- og plantearter er udryddelsestruede.
Et af de helt store mål for Earth BioGenome Project er derfor at få kendskab til samtlige genomer, som indgår i de truede økosystemer, og forstå samspillet imellem dem. På den måde kan forskerne identificere de organismer, der er afgørende for, at økosystemerne fungerer, og flytte dem til nye levesteder.
Allerede i dag bliver avlsprogrammer anvendt til at genopbygge bestande af alvorlig truede arter, men ved at basere programmerne på genetiske data fra enkelte individer bliver det lettere at fremavle sundt afkom med gode overlevelseschancer.
Det digitale bibliotek over de to millioner genomer skal altså fungere som en moderne udgave af Noas ark – en livslinje af vigtige genetiske informationer, som kan sikre udryddelsestruede arter og økosystemer i fremtiden.