Nanoskopische Bildgebung hilft, die Protein- und Gewebekonservierung in alten Knochen zu verstehen

Eine Pilotstudie der North Carolina State University zeigt, dass die nanoskopische 3D-Bildgebung von altem Knochen nicht nur weitere Einblicke in die Veränderungen von Weichteilen während der Fossilisierung bietet, sondern auch das Potenzial hat, schnell und praktisch festzustellen, welche Proben wahrscheinlich Kandidaten für die Erhaltung alter DNA- und Proteinsequenzen sind. Die Arbeit erscheint In iWissenschaft.

„Paläontologen untersuchen versteinerte Knochen seit Jahrhunderten, aber wir verstehen den Versteinerungsprozess organischer Weichteile von Knochen, wie etwa Kollagenprotein oder Blutgefäße, und wie sie über längere Zeiträume erhalten bleiben, noch immer nicht vollständig“, sagt Landon Anderson, Doktorand an der North Carolina State University und Autor der Forschungsarbeit.

„Ich habe ein nanoskopisches Bildgebungsverfahren verwendet, um moderne Knochen mit Knochen aus der Eiszeit zu vergleichen, um möglicherweise die Veränderungen besser zu verstehen, die Kollagenproteine ​​und Blutgefäße während der Fossilisierung durchlaufen.“

Anderson verglich kleine Proben von Beinknochen heutiger Rinder, Alligatoren und Straußen mit denen von Wollmammuts, Steppenbisons, Rentieren und Pferden aus dem Pleistozän. Die pleistozänen Proben wurden alle aus aufgetautem, uraltem Permafrost im kanadischen Yukon-Territorium geborgen.

Durch Auftragen einer verdünnten Säurelösung auf die Proben löste sich der mineralische Anteil der Knochen auf und ließ die darunter liegenden Kollagenproteingerüste zurück. Mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie (SEM) mit bis zu 150.000-facher Vergrößerung konnte Anderson die Kollagenproteinfibrillen und Blutgefäße in den demineralisierten Knochenproben abbilden.

Anderson scannte die Oberflächen der abgebildeten Strukturen mithilfe der Flugzeit-Sekundärionisations-Massenspektrometrie (ToF-SIMS). Dadurch wurden die in den Strukturen vorhandenen chemischen Signaturen identifiziert und dabei geholfen, diese als Kollagenprotein und Blutgefäße zu bestätigen.

„Die Bilddaten und ToF-SIMS zeigten, dass die Eiszeitproben noch aus ursprünglichem, nicht versteinertem Knochengewebe bestehen – sie sind Subfossilien und bewahren noch immer einen Großteil ihres ursprünglichen, unveränderten organischen Gewebes und ihrer Proteine, ähnlich wie moderne Knochen“, sagt Anderson. „Die Grundidee dieser Pilotstudie ist, dass dieser nanoskopische Ansatz auf Knochen aus allen Fossilienfunden angewendet werden könnte, um die chemischen und strukturellen Veränderungen besser zu verstehen, die bei der Versteinerung an organischem Gewebe auftreten.“

Die Technik könnte möglicherweise auch als Hilfsmittel zum Screening alter Knochenproben auf die Erhaltung von DNA- und Proteinsequenzen eingesetzt werden.

„Mithilfe der Elektronenmikroskopie können wir die nanoskopischen Kollagenfibrillen des Knochens direkt betrachten, die im Wesentlichen Bündel von Kollagenproteinmolekülen sind“, sagt Anderson.

„Kollagenprotein ist robust. Wenn also bei einer alten Knochenprobe, der diese Fibrillen fehlen, diese abgebaut wurden, ist es unwahrscheinlich, dass in der Probe noch wiederherstellbare DNA vorhanden ist, und der Proteingehalt würde zumindest reduziert sein. Diese Technik könnte ein praktischer erster Schritt sein, um Kandidatenproben für weitere molekulare Analysen zu prüfen.“