Die genomischen Schätze der Bergbaumuseen | Ars-Technica

Alpine Streifenhörnchen, die der wegweisende Naturforscher Joseph Grinnell im frühen 20. Jahrhundert gesammelt hat, werden noch immer im Museum of Vertebrate Zoology an der University of California, Berkeley, aufbewahrt.  Kürzlich verwendeten Genetiker aus ihnen extrahierte DNA, um zu verfolgen, wie sich die Streifenhörnchen entwickelt haben.  Museumssammlungen wie diese können Forschern eine Zeitmaschine in die Vergangenheit liefern.  (<a href=
Vergrößern / Alpine Streifenhörnchen, die der wegweisende Naturforscher Joseph Grinnell im frühen 20. Jahrhundert gesammelt hat, werden noch immer im Museum of Vertebrate Zoology an der University of California, Berkeley, aufbewahrt. Kürzlich verwendeten Genetiker aus ihnen extrahierte DNA, um zu verfolgen, wie sich die Streifenhörnchen entwickelt haben. Museumssammlungen wie diese können Forschern eine Zeitmaschine in die Vergangenheit liefern. (CC-BY-NC 2.0)

Das goldene Zeitalter der Naturgeschichte, als Charles Darwin und gleichgesinnte Wissenschaftler über Zusammenhänge zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt nachdachten, drehte sich hauptsächlich um das Sammeln von Dingen. Forscher schwärmten über die ganze Welt aus und sammelten so viele Pflanzen und Tiere wie sie konnten, trockneten oder stopften sie oder bewahrten sie in Alkohol in kleinen Gläsern auf. Sie trugen sie nach Hause in große Museen, wo die Öffentlichkeit einen Blick darauf werfen und staunen konnte.

Diese ehrwürdigen Sammlungen können heute wie Relikte erscheinen – muffige Lagerhäuser, Schreine kaiserlicher Plünderungen. Aber mit Milliarden Proben Unter ihnen katalogisiert sind Museumssammlungen ein Schatz für moderne Evolutionsbiologen, die DNA, RNA, Proteine ​​und andere Biomoleküle untersuchen. Die Entnahme von jahrzehnte- oder sogar jahrhundertealten Gewebeproben ermöglicht es Wissenschaftlern, Ausschnitte des genetischen Codes von Pflanzen und Tieren – einschließlich ausgestorbener – zu erfassen und molekulare Veränderungen zu verfolgen, die stattgefunden haben, lange bevor Biologen überhaupt verstanden haben, was DNA ist. Jüngere Exemplare sind ebenfalls wertvoll und bieten eine große Stichprobe, die Wissenschaftlern hilft, Merkmale innerhalb einer Art oder zwischen verwandten Arten zu vergleichen.

All dies macht die Arbeit mit Museumsproben zu einer verlockenden Aussicht für Forscher, sagt der Harvard-Evolutionsgenetiker Daren Card, der Proben aus australischen Museen für seine eigene Arbeit über die Gliedmaßenentwicklung bei Reptilien sequenziert hat. Museum Genomik liefert entscheidende Einblicke in die Evolutionsgeschichte, die Auswirkungen des Klimawandels und mehr, schreiben Card und Kollegen in der Ausgabe 2021 Jahresrückblick auf Genetik. Kennbar sprach mit Card über einige dieser Projekte – und einige Herausforderungen, mit denen die Branche konfrontiert ist.

Dieses Gespräch wurde aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.

So viel von dem, was Wissenschaftler heute über die Naturgeschichte wissen wollen, ist in die DNA eingeschrieben, die für das menschliche Auge unsichtbar ist. Was können uns diese gewaltigen Sammlungen alter biologischer Dinge über das Zusammenspiel von Genen und Evolution sagen?

Historisch gesehen konzentrierten sich die meisten Museumsforscher darauf, Arten zu benennen und ihre Evolutionsgeschichte zu verstehen. Ich interessiere mich mehr für die Verbindungen zwischen dem Genom – dem DNA-basierten Code, der einem Organismus sagt, wie er sich selbst aufbauen und betreiben soll – und den Phänotypen, den Merkmalen, die eine Kreatur zeigt.

Indem wir uns sowohl Genome als auch Phänotypen ansehen, können wir untersuchen, wie sich Organismen entwickeln und an verschiedene Umgebungen anpassen, und Museumssammlungen geben uns jede Menge Proben, die wir für diese Arbeit abbauen können. Museen sind eine Zeitmaschine der Zaubersprüche– Sie können zurückgehen und sich alte Exemplare ansehen, und Sie profitieren von der Arbeit des Museums, um aufzuzeichnen, woher das Exemplar stammt, wann es gesammelt wurde und welche Beobachtungen Wissenschaftler im Laufe der Jahrzehnte darüber gemacht haben.

Auch für zeitgenössische Arten können Exemplare in Museen besser sein als solche aus dem Freiland. Es wird Situationen geben, in denen Sie ein Tier haben, das jetzt ausgestorben oder sehr selten ist, also würde Sie vernünftigerweise niemand Proben nehmen lassen, weil es ungefähr zwei übrig sind.

Die Eidechsen, die ich studiere, sind in natürlichen Umgebungen immer noch halbwegs reichlich vorhanden, aber der Zugang zu Museen reduziert den Aufwand. Ich habe Dutzende von Arten mit Gewebe aus australischen Museen untersucht. Wenn die nicht da wären, hätte ich rausgehen und diese Arten finden müssen. Selbst wenn ich an der richtigen Stelle gelandet wäre – und sie sind über den ganzen Kontinent verstreut –, würde ich vielleicht nie finden, wonach ich gesucht habe.

Was ist ein gutes Beispiel für einen Wissenschaftler, der eine Museumssammlung nutzt, um etwas über Evolution durch Genetik zu lernen?

Eine wirklich gute, die wir in der Rezension hervorgehoben haben, betrifft eine Studie über hochgelegene Streifenhörnchen in Kalifornien und wie sie sich in den letzten 100 Jahren angepasst und entwickelt haben. Dies sind Nagetiere, deren Verbreitungsgebiet auf die höchsten Berge Kaliforniens beschränkt ist.

Es besteht die Sorge, dass Arten wie diese einem großen Risiko durch den Klimawandel ausgesetzt sind. Wenn die Temperaturen weiter steigen und sie nicht weiter den Berg hinauf zu kühlerem Boden gelangen können, sind sie in einer schwierigen Lage.

Die ursprüngliche Arbeit mit den Streifenhörnchen wurde in den frühen 1900er Jahren von Forschern des Museum of Vertebrate Zoology an der University of California, Berkeley, begonnen, insbesondere von einem Herrn namens Joseph Grinnell, der zu dieser Zeit ein sehr einflussreicher Museumswissenschaftler war. Er war produktiv bei der Dokumentation der Naturgeschichte des Westens, der zu dieser Zeit stark besiedelt war.

Grinnell starb 1939, aber er war vorausschauend und spekulierte, dass zukünftige Wissenschaftler Museumssammlungen nutzen würden, um biologische Veränderungen im Laufe der Zeit zu untersuchen. Das inspirierte einen unserer Co-Autoren dieser Rezension, Craig Moritz, dazu, ein Team zu organisieren, um einige der Hochgebirgspopulationen dieses Streifenhörnchens erneut zu beproben und zu sequenzieren und das, was sie fanden, mit DNA-Proben zu vergleichen, die von den Tieren extrahiert wurden, die Grinnells Team gesammelt und 100 katalogisiert hatte Jahren oder so. Moritz wollte sehen, ob sie genetische Veränderungen nachweisen können, die darauf hindeuten, wie sich das Klima auf diese Organismen auswirkt.

In den meisten Teilen des Genoms hat sich nichts so sehr verändert. Aber sie fanden heraus, dass einige einzelne genetische Mutationen in diesen Höhenlagen im Laufe der Zeit in einigen Populationen häufiger geworden waren, vermutlich aufgrund des ökologischen Drucks durch den Klimawandel.

Sie sahen große Verschiebungen zwischen fünf Varianten eines Gens namens Alox15, von dem bekannt ist, dass es die Überlebensfähigkeit von Tieren in sauerstoffarmen Umgebungen reguliert. Also vielleicht Alox15 ist ein wichtiges Gen, das es zu verfolgen gilt, wenn sich das Klima ändert. Im Idealfall validieren Wissenschaftler nun seine Funktion. In naher Zukunft könnten sie verfolgen Alox15 Varianten, um Erhaltungsentscheidungen zu treffen, die den Streifenhörnchen und anderen hochgelegenen Arten zugute kommen. Vielleicht werden wir in 50 Jahren in der Lage sein, mit genetischer Bearbeitung herumzuspielen Alox15 und bedrohte Organismen widerstandsfähiger machen. Aber das ist zu diesem Zeitpunkt Zukunftsmusik.

Was sind einige andere Entdeckungen, die Wissenschaftler mit Museumsexemplaren gemacht haben?

Es gibt viele Beispiele. Eine davon ist eine Analyse von Proben aus dem Finnischen Naturkundemuseum, die einen jahrhundertelangen Rückgang der genetischen Vielfalt bei zwei Schmetterlingsarten aufgrund des Bevölkerungsrückgangs aufzeigte. Eine andere Studie ergab, dass die genetische Vielfalt bei Honigbienen in Bern, Schweiz, zwischen 1879 und 1959 weitgehend unverändert blieb. Dies weist auf eine andere Art von menschlichem Einfluss hin: In diesem Fall hat die Imkerei den Bienen wahrscheinlich geholfen.

Die genomische Analyse von Blutproben von Hirschmäusen, die im Museum of Southwestern Biology an der University of New Mexico und dem Museum of Texas Tech University aufbewahrt werden, half Wissenschaftlern herauszufinden, dass a mysteriöses Hantavirus, das 10 Menschen tötete in der Region Four Corners im amerikanischen Südwesten im Jahr 1993 seit einiger Zeit unentdeckt unter Nagetieren in der Region zirkulierte.

Und kürzlich kam eine wirklich coole Studie heraus Naturwo Forscher des Schwedischen Museums für Naturgeschichte und anderer Institutionen DNA isolierten und sequenzierten Millionen Jahre alte Mammutproben, die eine zuvor unbekannte Abstammungslinie sibirischer Mammuts identifiziert, die ein Vorfahre der ersten Mammuts waren, die Nordamerika über die Bering-Landbrücke kolonisierten. Diese Art von Arbeit hilft uns, die Beziehungen zwischen verschiedenen Populationen alter Tiere genau zu verstehen.

Sie können aus etwas so Altem gute molekulare Informationen ziehen?

Es ist ein Hit oder Miss. Es hängt von der Konservierungsmethode ab – am besten nehmen Sie ein Stück Gewebe und werfen es in einen Gefrierschrank oder einen Bottich Flüssigstickstoff. Zeit ist auch ein Faktor. Je länger etwas dort sitzt, desto degradierter wird es.

Offensichtlich wussten wir vor 100 Jahren nicht, was DNA tut oder wie sie es tut. Die Struktur und das Wesen des Codes wurden erst in den 1950er und 1960er Jahren entdeckt. Leute wie Grinnell flogen im Blindflug, aber sie bewahrten Dinge im Allgemeinen auf eine Weise auf, die es uns heute ermöglicht, zu ihnen zurückzukehren und zu versuchen, brauchbare DNA aus ihnen herauszuholen. Andere Biomoleküle kommen auch langsam online.

Es gibt einige koordinierte Bemühungen, die Art und Weise zu standardisieren, wie Proben aufbewahrt werden, aber wahrscheinlich nicht so viel, wie es sein sollte. Ich denke, wir brauchen eine Überholung. Wir könnten viel besser darin sein, Gewebe für längere Studien aufzubewahren.

Was sind einige der anderen Herausforderungen, denen sich das Feld gegenübersieht?

Wir müssen besser entscheiden, was wir speichern und wie wir wichtige Attribute aufzeichnen. Früher haben Museen immer Ganzkörperpräparate aufbewahrt, aber in letzter Zeit interessieren wir uns mehr für diese genomischen oder genetischen Ressourcen, also sind Gewebeproben angesagt. Wenn Sie jedoch zu Datenbanken gehen, kann es schwierig sein zu sagen, ob eine entnommene Probe, für die Sie ein Datum, einen Ort und andere Informationen haben, mit Gewebe assoziiert ist, das Sie möglicherweise entnehmen können. Für die Genomik ist es nützlich, beides zu haben.

Eine zweite große Herausforderung ist die Digitalisierung und Integration von Sammlungen, damit Sie verstehen können, welches Museum über Ressource A und welches Museum über Ressource B verfügt. Wir digitalisieren seit mindestens einem Jahrzehnt, aber es ist nicht gut über Sammlungen hinweg integriert. Hoffentlich katalysiert unser Papier die Dinge ein wenig. Es gibt viel zu tun.

Was hat Ihnen die Museumsgenomik über die Eidechsen gezeigt, die Sie untersuchen?

Wir arbeiten immer noch daran, warum sich Reptilienarten entwickeln, um Gliedmaßen zu verlieren. Es ist mindestens ein paar Dutzend Mal passiert. Schlangen sind natürlich die berühmtesten Beispiele, aber es passiert viel mehr, als ich denke, dass viele Leute glauben. Historisch gesehen gab es eine Region im Genom, die mit dem Verlust von Gliedmaßen bei Schlangen in Verbindung gebracht wurde, die ZRS-Region. Aber vorläufige Untersuchungen, die ich durchgeführt habe, einschließlich der Untersuchung von Exemplaren aus Museen, deuten darauf hin, dass diese Region für die Art, die ich betrachte, nicht so wichtig ist. Etwas anderes muss das Muster antreiben.

Warum ist es wichtig zu verstehen, welche Region des Genoms an dieser Art von evolutionärer Veränderung beteiligt ist?

Für einen Biologen ist es entscheidend. Was macht eine Schlange zu einer Schlange? Was macht einen Vogel zu einem Vogel?? Die meisten Variationen, an denen wir als Biologen interessiert sind, müssen in irgendeiner Weise genetisch bedingt sein. Wir stehen wirklich am Anfang, um irgendetwas davon überhaupt zu verstehen. Wir haben bei einigen Modellorganismen, wie Menschen, Mäusen und Fruchtfliegen, gute Arbeit geleistet, aber für den größten Teil der Biodiversität haben wir keine Ahnung.

Museen werden eine großartige Quelle der Inspiration und des Materials sein, um diese große Frage in der Biologie zu untersuchen, und das Verständnis der großen Frage könnte uns helfen, große Probleme zu lösen. Das Verständnis der genetischen Variation und der Art und Weise, wie sie mit der Physiologie korreliert – insbesondere bei Organismen, die Sie möglicherweise mit Menschen in Beziehung setzen können – könnte Auswirkungen auf die Gesundheitsversorgung oder auf biologisch inspiriertes Design und Engineering haben.

Diese Geschichte erschien ursprünglich in Wissenswertes Magazin.

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