Die Kunst, DNA aus jahrzehntealten eingelegten Schlangen zu gewinnen

Zwei Stockwerke unter der Erde hat Chicagos Field Museum einen geheimen Bunker. Das Collections Resource Center im Untergeschoss beherbergt Millionen biologischer Proben, die Wissenschaftler auf der ganzen Welt für ihre Forschung verwenden können, darunter unzählige Flaschen und Gläser mit eingelegtem Fisch, Eidechsen und Schlangen, die wie eine Bibliothek angeordnet sind. Viele dieser Exemplare sind Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte alt und durch eine Kombination aus Formalin und Alkohol nahezu perfekt konserviert. Aber der Prozess, der Gewebe konserviert, zerstört oft oder macht es zumindest sehr schwierig, DNA für moderne Studien zu gewinnen, was eine schlechte Nachricht für Wissenschaftler ist, die genetische Beziehungen zwischen Organismen untersuchen. Eine neue Studie in Grenzen in Ökologie und Evolutionoffenbart jedoch neue Ansätze, um nutzbare DNA aus jahrzehntealten eingelegten Proben zu gewinnen und zu maximieren, und verwendet diese Techniken, um ein langjähriges Rätsel um eine kleine Schlange von der Insel Borneo zu lösen.

„Als echter Krimi-Fan erinnert mich das daran, wie Menschen in den 1960er Jahren keine DNA-Proben genommen haben, als ein Verbrechen begangen wurde, weil niemand vorhersehen konnte, dass man eines Tages anhand von DNA-Proben feststellen kann, wer ein Verbrechen begangen hat“, sagt Sara Ruane, stellvertretender Kurator für Herpetologie am Field Museum und leitender Autor der Studie. „Diese älteren Museumsexemplare sind manchmal die einzigen verfügbaren Exemplare einer Art, aber sie wurden nicht mit Blick auf die DNA konserviert – in diesem Artikel geht es darum, wie wir alle möglichen Informationen aus ihnen herauspressen können.“

Das Projekt entstand aus der Dissertationsforschung von Justin Bernstein, als er Ruanes Student an der Rutgers University-Newark war. „Meine primäre Studie befasst sich mit einer Gruppe von Schlangen, genannt Homalopsiden oder Schlammschlangen, die in Süd- und Südostasien, Neuguinea und Australien leben“, sagt Bernstein, der Hauptautor der Studie. „Sie sind wirklich faszinierend; sie leben in schlammigen, aquatischen Umgebungen, und es gibt 56 Arten von ihnen. Wir verwenden DNA, um ihre Evolutionsgeschichte zu studieren, um zu versuchen, neue Arten zu beschreiben, und um zu erfahren, was mit diesen Gruppen über Dutzende passiert ist Millionen von Jahren, die zu der Vielfalt geführt haben, die wir heute sehen.“

Für dieses Papier gab es ein bestimmtes Tier, das Bernstein und Ruane versuchten, in eine Familiengruppe zu bringen, eine zwei Fuß lange grünlich-braune Schlange namens Hydrablabes Periops, auch bekannt als die olivgrüne kleinäugige Schlange. Es ist auf Borneo zu finden, einer großen Insel östlich des malaysischen Festlandes und nordwestlich von Australien, die Teile von Malaysia und Indonesien sowie die gesamte Nation Brunei umfasst. Basierend auf seinem Aussehen hatten Wissenschaftler zwei verschiedene Familien vorgeschlagen, zu denen es gehören könnte. Die Analyse seiner DNA könnte seine nächsten Verwandten und damit seine Familie enthüllen, aber das war leichter gesagt als getan. „Ungefähr die Hälfte der Schlammschlangen-Vielfalt und alles Hydrablaben Belege sind von älteren Exemplaren bekannt, die chemisch behandelt wurden, und diese chemische Behandlung bricht die DNA auf“, sagt Bernstein.

Ein Teil des Prozesses, ein Tier in Alkohol zu konservieren, besteht darin, es mit einer Substanz namens Formalin zu „fixieren“, einer Lösung aus Formaldehydgas und Wasser, die sein Gewebe gummiartig und steif macht. Leider wird auch die DNA in seinen Zellen verändert. „Es macht etwas, das sich Crosslinking nennt, das die DNA bindet“, sagt Ruane. „Wenn Sie seine DNA untersuchen wollen, müssen Sie die DNA aus diesen Querverbindungen lösen oder versuchen, sie herauszudrücken.“

Die Untersuchung der olivfarbenen kleinäugigen Schlange bedeutete, kleine Proben von Lebergewebe von einigen der wenigen Exemplare in den Vereinigten Staaten zu nehmen, beide aus den Sammlungen des Field Museum. Eines von 1964 und das andere von einer Sammelreise des damaligen Kurators Robert Inger und seiner Frau Tan Fui Lian aus dem Jahr 1993.

Solche alten Exemplare erforderten neue Labortechniken. Normalerweise beinhaltet die Gewinnung von DNA aus einer Gewebeprobe die Zugabe von Verdauungsenzymen, die das Gewebe aufbrechen, die DNA zurücklassen und sie mehrere Stunden lang auf 130 ° C erhitzen. „Wir mussten die Art und Weise, wie wir die DNA herausbekommen, ändern, indem wir sie länger heißer machten und mehr dieser Verdauungsenzyme verwendeten“, sagt Ruane. Diese extremeren Präparationsmethoden waren in früheren Studien für andere Schlangen wirksam, aber die resultierende genetische Analyse enthielt noch viele Lücken für Borneos Hydrablaben Schlangenexemplar.

„Die Chemikalien, die zur Konservierung der Schlangen verwendet wurden, haben ihre DNA in kürzere Codestücke zerschnitten, was es schwierig machte, sie mit längeren, vollständigeren Genen anderer Exemplare zu vergleichen“, sagt Bernstein. „Die erste Software, die ich verwendet habe, machte es schwierig zu verstehen, wie viel fragmentierte DNA in den Studienproben vorhanden war, aber der Wechsel zu einer anderen Software, die die Teile des genetischen Codes visualisierte, machte es einfacher zu erkennen, wo es Probleme gab.“ Und selbst die kleineren, stärker fragmentierten Codeteile könnten zu größeren, veröffentlichten Datensätzen hinzugefügt werden, um beim Aufbau eines Evolutionsbaums zu helfen.

Ein wichtiger Aspekt dieses Papiers für Bernstein war die Transparenz über die Schwierigkeiten bei der Verwendung älterer Exemplare und die für ihre Untersuchung erforderliche Fehlerbehebung. „Ich wollte den Wissenschaftlern zeigen, dass man mit diesen Proben immer noch arbeiten kann, es erfordert nur ein bisschen Fingerspitzengefühl“, sagt er. „Auf einer breiteren Ebene zeigt die Studie wirklich, wie Sie die erhaltenen Daten nutzen und wie Sie sie mit zuvor veröffentlichten Datensätzen kombinieren können, um einige wirklich coole Hypothesen zu untersuchen.“

Was die Bornean-Schlange betrifft, die im Mittelpunkt der Studie stand, konnten die Forscher feststellen, dass sie ein Mitglied der Familie Natricidae ist, die entfernte Verwandte wie die nordamerikanischen Strumpfbandnattern enthält. Das mag nicht wie eine große Sache erscheinen, aber „zu wissen, dass eine bestimmte Art Teil einer bestimmten Gruppe ist, kann uns viel über die Biogeographie und darüber sagen, wie sich das Leben auf der Erde im Laufe der Zeit verändert hat“, sagt Ruane.

Und über das Studium der Schlangen hinaus stellt sie fest, dass insgesamt „dieses Projekt die Bedeutung von Museumssammlungen unterstreicht, denn man weiß nie, was man in Zukunft von Exemplaren lernen kann.“