Aanwijzingen voor gefossiliseerd DNA in dinosauriër ontdekt

In het kraakbeen van een ruim zeventig miljoen jaar oude hadrosaurus zijn wetenschappers gestuit op celstructuren en een stof die zich gedraagt als DNA.donderdag 5 maart 2020

Miljarden jaren lang dient het DNA als hét informatiedragende molecuul van al het leven op aarde waarin de instructies voor de bouw van proteïnen voor levende wezens liggen opgeslagen. Maar hoelang kan die biologische informatie blijven bestaan? In een gedurfd nieuw onderzoek heeft een internationaal team van onderzoekers nu enkele dinosauriërfossielen gepresenteerd die zó goed bewaard zijn gebleven dat sommige ervan de contouren van cellen vertonen, en daarnaast ook structuren die mogelijk zijn ontstaan uit het oorspronkelijke DNA van de dinosauriër.

In het onderzoek, dat vorige week werd gepubliceerd in de National Science Review, worden de schedelbotten van twee juveniele hadrosauriërs van de soort Hypacrosaurus stebingeribeschreven, een plantenetende dinosauriër die 75 miljoen jaar geleden in een gebied leefde dat nu de Amerikaanse staat Montana is.

Binnenin de minuscule botfragmenten zagen de onderzoekers iets wat leek op cellen, waarvan sommige gedurende hun celdeling in de tijd bevroren leken te zijn. Andere bevatten donker verkleurde bolletjes die op celkernen leken, de structuren waarin het DNA ligt opgeslagen. En één cel leek zelfs warrige donkere slierten te bevatten die sterk aan chromosomen deden denken, de gecondenseerde strengen van eiwitten en DNA die tijdens de celdeling worden gevormd.

Het kraakbeen van een van de Hypacrosaurussen bevat twee cellen die halverwege hun celdeling in de tijd zijn bevroren (links). In de cellen zijn donkere structuren te zien die doen denken aan celkernen. Een van de cellen, op de foto onder een sterkere vergroting (midden), bevat mogelijk gecondenseerde chromosomen. Als het materiaal wordt blootgesteld aan propidiumjodide, dat wordt gebruikt om DNA in levende cellen te kleuren, lichten geconcentreerde plekjes binnenin de Hypacrosaurus-cellen op (rechts), een aanwijzing voor de aanwezigheid van een substantie die reageert als DNA.
Foto van beelden: Alida Bailleul and Wenxia Zheng

“We zien hier een subcellulair niveau van conservering dat we tot nu toe niet in een gewerveld dier hebben aangetroffen,” zegt Alida Bailleul, postdoctoraalonderzoekster aan het Instituut voor de Paleontologie van Gewervelde Dieren en Paleoantropologie van de Chinese Academie van Wetenschappen en hoofdauteur van de nieuwe studie.

Om het gefossiliseerde materiaal te testen, gebruikten de onderzoekers kleurstoffen die zich in levende cellen aan DNA binden en pasten die ook toe op de schedelbotjes van de dinosauriër. De kleurstoffen hechtten zich op specifieke plekken aan de gefossiliseerde cellen, waardoor ze in het donker een fluorescerend rood of blauw schijnsel afgaven. Voor zover de wetenschappers kunnen zeggen, werden de kleurstoffen gebonden aan structuren die zijn ontstaan uit de oorspronkelijke moleculen van de dinosauriër, en niet van een of andere verontreiniging van buitenaf, zoals bacteriën.

Betekent deze ontdekking nu dat we het DNA van een dinosauriër kunnen sequentiëren? Bij lange na niet. De onderzoekers hebben geen DNA aan de gefossiliseerde cellen kunnen onttrekken en ze weten ook niet of het gevonden materiaal onaangetast DNA is of misschien een bijproduct dat is ontstaan tijdens de afbraak van het genetische materiaal. Ze wijzen er bovendien op dat als er wél DNA in de cellen van de dinosauriër bewaard is gebleven, het zeer waarschijnlijk om minuscule fragmenten gaat die chemisch sterk zijn aangetast en vermengd zijn geraakt met resten van eiwitten.

“We doen hier geen Jurassic Park-dingen,” zegt Bailleul.

Toch is het onderzoek een goed voorbeeld van het feit dat microscopisch kleine structuren en zelfs sporen van de moleculen waaruit cellen zijn opgebouwd, in fossielen bewaard kunnen blijven, van pigmenten tot eiwitten en andere bestanddelen. Bij recent onderzoek werden biomoleculen in het fossiel van een Dickinsonia gevonden, een wezen dat ruim een half miljard jaar geleden op aarde rondkroop. Door de ontdekking konden de auteurs bevestigen dat dit organisme inderdaad een dier en geen andere levensvorm was.

“Dit soort onderzoek staat nog in de kinderschoenen, maar als we even onze scepsis opzij zetten, de gegevens grondig bestuderen en onze opvattingen over de conservering van moleculen in fossielen verder testen en verfijnen, dan zijn de mogelijkheden absoluut verbluffend,” zegt David Evans, een paleontoloog van het Royal Ontario Museum die niet bij de nieuwe studie was betrokken.

Schokkende cellen

De toevallige ontdekking van gefossiliseerde dinosauriërcellen deed zich voor het eerst in de jaren tachtig voor, in de ‘badlands’ van Montana, toen Jack Horner, paleontoloog aan de Chapman University en destijds verbonden aan het Museum of the Rockies, de beenderen van een nest jonge Hypacrosaurus stebingeriontdekte. Horner onderzocht niet alleen de pootbeentjes van de kuikens maar vond tussen de resten ook enkele Hypacrosaurus-schedels. Om hun interne bouw nader te kunnen bestuderen doopten Horner en zijn collega’s enkele ervan in hars, zodat ze daarna in haardunne plakjes (coupes) gesneden konden worden.

De coupes van deze minuscule stukjes dinosauriërschedel bleven ruim twintig jaar in het Museum of the Rockies op de plank liggen, totdat Bailleul – die destijds haar promotieonderzoek in het museum afrondde – in 2010 begon met het bestuderen van de verbindingen en naden waarlangs de schedelbotjes met elkaar vergroeiden. Toen zij de coupes onder de microscoop bekeek, zag Bailleul bij een van de kuikens kleine cirkelvormige structuren in het supraoccipitale schedelbotje, onderdeel van het achterhoofdsbeen.

De cirkelvormige structuren zagen eruit als cellen, en het viel Bailleul op dat in veel ervan nog kleinere, donkere puntjes waren te zien die duidelijk op celkernen leken. Enkele bevatten zelfs verwarde slierten die Bailleul deden denken aan chromosomen. 

“Ik sloeg een beetje op tilt, liep van de microscoop weg, dacht na, liep weer naar de microscoop,” vertelt ze. “Ik dacht: ‘Mijn god, dit kan niet waar zijn. Maar het kan gewoon niets anders zijn dan cellen!’”

Bailleul was zó verbluft door wat ze had gezien dat ze de ontdekking enkele dagen voor zich hield, maar een van Horners voormalige promotieonderzoekers, paleontologe Mary Schweitzer van de North Carolina State University, was toevallig op bezoek in het museum. Schweitzer, pionier op het gebied van de moleculaire paleontologie, had in eerdere studies al bewezen dat dinosauriërfossielen zó goed bewaard kunnen blijven dat er afzonderlijke cellen – en soms zelfs de oorspronkelijke eiwitten, hoewel dat omstreden is – in te herkennen zijn.

Schweitzer bekeek de coupes en meende dat Bailleul iets buitengewoons had ontdekt. In de tien jaar daarna bestudeerde Bailleul samen met Horner, Schweitzer en andere collega’s de fossielen als een nevenonderzoek voor de lange termijn. Maar in 2014 kon het team onverwachts hoop putten uit de bekendmaking van Zweedse onderzoekers dat zij gefossiliseerde celkernen en chromosomen in een 180 miljoen jaar oude varen hadden ontdekt. “Toen het artikel over die varen verscheen, dacht ik: ‘Wow, we zijn dus niet gek,’” zegt Bailleul.

Nadat het team van Bailleul de celstructuren had onderzocht, wilden de onderzoekers een beter beeld krijgen van de samenstelling van de botjes. Bailleul bracht een bezoek aan het laboratorium van Schweitzer in Raleigh, North Carolina, en nam monsters mee die daar konden worden getest. De resultaten werden vergeleken met monsters van vers weefsel uit een emoe (in een ander laboratorium, om de kans op verontreiniging uit te sluiten).

Eerst kleurden de onderzoekers de fossielen met chemische stoffen die zich binden aan kraakbeen, wat erop wees dat de vergroeiende schedeldelen van de kuikens op het moment van hun dood nog niet tot bot waren verhard. Vervolgens isoleerden Bailleul en Schweitzer enkele van de gefossiliseerde cellen en stelden ze bloot aan propidiumjodide en DAPI, twee chemische kleurstoffen die in het medisch onderzoek veel worden gebruikt om recent DNA te zichtbaar te maken. Het was geen verrassing dat de kleurstoffen beter aansloegen op cellen van de emoe, maar ze hechtten zich ook aan specifieke plekken binnenin de gefossiliseerde dinosauriërcellen.

“Ik noem het niet eens DNA, want ik wil voorzichtig zijn en de resultaten niet groter maken dan ze zijn,” zegt Schweitzer. “We zien iets in deze cellen dat chemisch overeenkomt met en reageert als DNA.”

Hoe kan DNA fossiliseren?

Als er inderdaad intact DNA in deze dinosauriërfossielen aanwezig is, dan moeten wetenschappers de enorme robuustheid van het molecuul opnieuw overdenken. Uit eerdere studies is gebleken dat genetisch materiaal in botten na enkele miljoen jaren degenereert. Het oudste complete genoom dat ooit is gesequentieerd, is afkomstig uit botten van een 700.000 jaar oud paard dat in Siberië werd ontdekt, maar die hadden sinds de dood van het dier in de permanent bevroren ondergrond van de regio begraven gelegen – en de botten van de Hypacrosaurus-kuikens zijn ongeveer honderdmaal zo oud.

Levend bot heeft een zeer poreuze structuur, waardoor het na de dood van een dier niet de beste ‘tijdmachine’ is. Maar de bewaard gebleven cellen in de hadrosauruskuikens werden waarschijnlijk omsloten door kraakbeen, dat geen poriën bevat, legt Schweitzer uit. Dankzij de structuur van kraakbeen zijn de cellen – en de chemische bestanddelen ervan – beter beschermd geweest.

“Gefossiliseerd en verkalkt kraakbeen kan de ideale plek zijn om in andere fossielen op zoek te gaan naar uitzonderlijk goed bewaard gebleven biomoleculen, want dit weefsel is waarschijnlijk minder bevattelijk voor verontreinigingen en interne afbraak dan botweefsel,” zegt Evans. “In verkalkt kraakbeen worden de cellen omsloten en geïsoleerd door de extracellulaire matrix en blijven daardoor mogelijk beter bewaard in een eigen, afgesloten micromilieu.”

Dinosaurussen 101
Meer dan 1000 dinosaurussoorten hebben er op aarde rondgelopen. Welke waren de grootste en kleinste? Wat aten de dino's en hoe leefden ze? En bekijk welke verrassende informatie er is over hun uitsterven.

Ondanks de beschermende werking van het kraakbeen is het mogelijk dat chemische kleurstoffen zich toch niet hechten aan het intacte DNA in de fossielen. Als er inderdaad DNA aanwezig is, kan het volgens Bailleul en Schweitzer hebben overleefd dankzij de vorming van nieuwe chemische verbindingen tussen verschillende delen van één enkele DNA-streng. Bij levende dieren zijn dit soort dwarsverbanden tussen DNA-basen – een proces dat ‘crosslinking’ wordt genoemd – zó giftig dat sommige kankerbestrijdende medicijnen deze verbindingen in tumor-DNA bevorderen. Maar tijdens het fossiliseringsproces kunnen deze dwarsverbanden helpen om het DNA gedurende extreem lange tijd te stabiliseren.

Volgens Jasmina Wiemann, een postdoctoraalstudente van de Yale University die is gespecialiseerd in de fossilisering van biomoleculen, kan crosslinking tussen DNA-basen en proteïnen het fossiliseringsproces bevorderen. Uit eerdere studies is gebleken dat DNA en histonen – eiwitten die als oprolmechanismen voor genetisch materiaal dienen – een verbinding met elkaar kunnen aangaan. Ze wijst erop dat er nadere chemische analyses nodig zullen zijn om dit idee te bevestigen.

Als er in de dinosauriërcellen onaangetast DNA wordt gevonden, en dat is nog zeer de vraag, dan zou uit chemische kleuring moeten blijken dat de DNA-strengen ten minste zes basenparen bevatten, de afzonderlijke ‘sporten’ van de laddervormige DNA-structuur. Omdat de kleuring alleen de minimumlengte van de DNA-fragmenten aangeeft, zullen zulke minuscule fragmenten waarschijnlijk te kort zijn om te sequentiëren. Volgens Beth Shapiro, paleogenetica aan de University of California in Santa Cruz, kijken onderzoekers van oeroud DNA niet naar fragmenten die korter zijn dan dertig basenparen, omdat kleinere stukjes genetisch materiaal niet genoeg informatie bevatten om op de juiste wijze in het genoom geplaatst te kunnen worden. Pogingen om de positie van zulke minuscule DNA-fragmenten in het genoom te bepalen zouden hetzelfde zijn als het vinden van een specifieke zin uit Moby Dickterwijl je alleen weet dat die zin het woord ‘walvis’ bevat.

Maar zelfs gefossiliseerd DNA dat zich niet leent voor sequentiëring, kan bruikbaar zijn. Wiemann en anderen hebben aangetoond dat ook sterk aangetaste eiwitten in fossielen nog waardevolle informatie kunnen bevatten, zoals aanwijzingen voor het basale metabolisme van een dier, en hetzelfde zou kunnen gelden voor aangetaste DNA-resten.

Er zijn nadere chemische analyses nodig om te kunnen vaststellen wat zich precies in deze stukjes dinosauriërschedel bevindt, maar Bailleul hoopt dat wetenschappers in de toekomst een goed inzicht krijgen in de manier waarop DNA kan fossiliseren en in de genetische informatie die het bevat.

“We zouden als wetenschappers gek zijn als we het hierbij zouden laten en verder niets zouden doen,” zegt Bailleul. “Ik weet dat het om zeer voorlopig vooronderzoek gaat, maar als niemand de eerste stap zet, kom je nergens.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

lees verder

‘Magere Hein’-tyrannosaurus ontdekt in Canada

De met littekens bezaaide dinosauriër maakt duidelijk hoe de T. rex en zijn verwanten de top van de voedselketen veroverden.

Deze slanke dinosauriërs waren eigenlijk T. rex-tieners

Uit een gedetailleerde analyse van gefossiliseerde pootbeenderen blijkt bovendien dat de beruchte dinosauriërs in het geval van voedselschaarste een fascinerende overlevingsstrategie toepasten.
Video
3:32

Dinosaurussen 101

Meer dan 1000 dinosaurussoorten hebben er op aarde rondgelopen. Welke waren de grootste en kleinste? Wat aten de dino's en hoe leefden ze? En bekijk welke verrassende informatie er is over hun uitsterven.
Lees meer