DNA باستانی مانند یک ماشین زمان عمل می‌کند؛ مولکول کوچکی که می‌تواند رازهای گونه‌های منقرض‌شده، سرنوشت تمدن‌های گذشته و حتی علت مرگ سربازان یک امپراتوری را آشکار کند. امروزه با پیشرفت چشمگیر فناوری‌های توالی‌یابی و با تکیه بر علوم پایه‌ای مانند شیمی، زیست‌شناسی مولکولی و فیزیک ماده نرم، دانشمندان می‌توانند از فسیل‌ها و بقایای انسانی که هزاران یا حتی میلیون‌ها سال قدمت دارند، اطلاعات ژنتیکی استخراج کنند و معماهای تاریخ را یکی پس از دیگری حل کنند. اما پرسش اصلی این است: چطور می‌توان از استخوان‌هایی که هزاران سال در دل خاک بوده‌اند، DNA قابل‌استفاده استخراج کرد؟
این موضوعات جذاب، نمونه‌ای از مباحث مربوط به علم و فناوری هستند که می‌توانند توجه علاقه‌مندان را در جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان به خود جلب کنند.
رازهای دفن‌شده زیر خیابان‌های تورنتو: سفری به ۱۲ هزار سال پیش
داستان ما از سال ۱۹۷۶ آغاز می‌شود؛ زمانی که کارگران متروی تورنتو هنگام حفاری با چند استخوان اسرارآمیز رو‌به‌رو شدند. آزمایش‌های رادیوکربنی نشان داد که این استخوان‌ها به یک حیوان ۱۲ هزار ساله تعلق دارند؛ تنها نمونه شناخته‌شده از گونه منقرض‌شده‌ای به نام Torontoceros hypogaeus.
تا مدت‌ها جایگاه این جانور در شجره‌نامه حیات یک معما بود. اما در سال ۲۰۲۴، با کمک فناوری توالی‌یابی DNA باستانی، پژوهشگران بالاخره کشف کردند که این حیوان با گوزن دم‌سفید خویشاوند بوده است. با این حال، ده‌ها هزار سال در دل خاک سپری شده بود؛ پرسش اینجاست: چطور DNA این جانور هنوز قابل استخراج و خواندن بود؟
مبارزه با دشمن نامرئی: آلودگی DNA
تقریباً در هر جایی که نفس می‌کشیم، قدم می‌زنیم یا چیزی را لمس می‌کنیم، DNA وجود دارد؛ از سلول‌های مرده بدن خودمان گرفته تا باکتری‌ها و ویروس‌های معلق در هوا. این یعنی کوچک‌ترین آلودگی محیط می‌تواند نمونه‌های باستانی را خراب کند.
برای مقابله با این مشکل، دانشمندان با تکیه بر علوم‌پایه‌ای مانند شیمی و زیست‌شناسی مولکولی ابتدا یک آزمایشگاه فوق‌استریل آماده می‌کنند که با نور فرابنفش همه آلودگی‌ها را نابود می‌کند. پژوهشگران با لباس‌های محافظ مخصوص، ماسک N95 و ابزارهای ضدعفونی‌شده وارد عمل می‌شوند. سپس فسیل دوباره با UV ضدعفونی می‌شود و لایه بیرونی آن تراشیده می‌شود تا هرگونه DNA خارجی حذف شود. در مرحله بعد، با یک مته دندانی بسیار ظریف بخش درونی استخوان سوراخ می‌شود تا پودر استخوان سالم استخراج شود؛ جایی که ممکن است هنوز قطعات کوچکی از DNA موجودات زنده هزاران سال پیش باقی مانده باشد.
این مرحله ترکیبی است از دانش علوم‌پایه، مهارت فنی و کمی شانس. همین فرآیندهاست که با توجه به محور علمی جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان، به یکی از جذاب‌ترین و الهام‌بخش‌ترین موضوعات تبدیل می‌شود.
وقتی آلودگی به کمک دانش بیاید
در حالی که برای مطالعه جانور Torontoceros وجود DNA خارجی یک مشکل بود، در برخی تحقیقات همین DNAهای بیرونی هدف اصلی پژوهش‌اند. یکی از مشهورترین نمونه‌ها بررسی دندان‌های سربازان ارتش ناپلئون است. این چالش‌ها همان مسائلی هستند که جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان در حوزه علوم‌پایه به دنبال برجسته کردن و توجه دادن به آن‌ها است؛ اینکه چگونه روش‌های نوآورانه می‌توانند ابزارهای علمی را برای فهم بهتر گذشته و حل مسائل پیچیده تقویت کنند. نیکولا راسکوان، پژوهشگر فرانسوی، می‌خواست بداند چرا هزاران سرباز در جریان عقب‌نشینی مرگبار ناپلئون از روسیه در سال ۱۸۱۲ جان خود را از دست دادند. او پالپ دندان‌ها، یعنی همان بافت نرم و خون‌دار داخل دندان را باز کرد و DNA باکتری‌هایی را شناسایی کرد که سربازان را به بیماری‌های کشنده مانند تب روده‌ای و تب عودکننده مبتلا کرده بودند. این مثال نشان می‌دهد که DNA نه‌تنها می‌تواند تاریخ جانوران را روشن کند، بلکه حتی تاریخ بیماری‌ها و عوامل مرگ در گذشته را نیز روایت می‌کند.
مرحله مهم: جدا کردن DNA از آلودگی‌ها
پودر استخوان مملو از ذرات مختلف است؛ از پروتئین‌ها و مواد معدنی گرفته تا بقایای سلولی. برای استخراج DNA، دانشمندان از واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌کنند که مواد اضافی را حل کرده و DNA را جدا می‌کند. سپس DNA با ذرات سیلیکون دارای بار مثبت مخلوط می‌شود. از آنجایی که DNA بار منفی دارد، مثل یک آهنربا به سیلیکون می‌چسبد. با استفاده از سانتریفیوژ، این ترکیب به‌خوبی جدا شده و DNA آماده برداشت می‌شود. این مرحله بسیار ظریف و حساس است؛ زیرا هر رشته DNA باستانی ممکن است کوتاه، شکسته یا آسیب‌دیده باشد و کوچک‌ترین اشتباه می‌تواند نتیجه را خراب کند.
تبدیل مولکول‌های باستانی به اطلاعات دیجیتال
وقتی DNA جدا شد، نوبت به خواندن و دیجیتالی کردن آن می‌رسد؛ کاری که معمولاً توسط دستگاه‌های پیشرفته شرکت Illumina انجام می‌شود. این دستگاه‌ها از مولکول‌های کوچکی به نام آداپتور استفاده می‌کنند؛ برچسب‌هایی که به DNA نمونه می‌چسبند و به دستگاه کمک می‌کنند رشته‌ها را شناسایی کند. موفقیت این فرایندهای دقیق و پیچیده، نمونه‌ای از کاربرد عملی علوم‌پایه در پیشبرد فناوری‌های ژنومی است؛ رویکردی که جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان نیز برای تشویق نوآوری‌های جوانان و حمایت از تحقیقات کاربردی به آن اهمیت می‌دهد. سپس دستگاه مانند یک دوربین فوق‌حساس از DNA عکس می‌گیرد و بر اساس تحلیل رنگ و ساختار بازهای نوکلئوتیدی، اطلاعات را به صورت یک فایل دیجیتال ذخیره می‌کند. به این ترتیب، سفر DNA از استخوانی که هزاران سال در خاک بوده، به صفحه‌نمایش کامپیوتر کامل می‌شود و دانشمندان می‌توانند آن را تحلیل و بررسی کنند.
چالش بزرگ دانشمندان: خواندن DNA ناقص و قدیمی
اگر در بخش خاصی از DNA تفاوت‌هایی غیرطبیعی وجود داشته باشد، این نشانه آسیب یا تجزیه است. الگوریتم‌ها این بخش‌ها را اصلاح یا بازسازی می‌کنند. اما دستگاه توالی‌یاب تمام چیزهایی را که در نمونه وجود دارد می‌خواند:
DNA انسان، حیوان، میکروب، قارچ، خاک و هر آلودگی دیگری.
DNA باستانی تقریباً همیشه شکسته و ناقص است. میلیون‌ها سال تابش نور، گرما، رطوبت و گذر زمان به این مولکول‌ها آسیب می‌زند. با این حال، چون ساختار DNA موجودات زنده طی میلیون‌ها سال تغییر چندانی نکرده، دانشمندان می‌توانند با استفاده از مدل‌های مقایسه‌ای بخش‌های آسیب‌دیده را بازسازی کنند. هرگونه تغییر غیرطبیعی در DNA باستانی نشانه‌ای از آسیب یا تجزیه است و الگوریتم‌ها این بخش‌ها را اصلاح می‌کنند. اما مشکل اینجاست که دستگاه‌های توالی‌یاب تمام DNA موجود در نمونه را می‌خوانند: DNA انسان، حیوان، میکروب، قارچ، خاک و هرگونه آلودگی دیگر. راسکوان این فرآیند را چنین توصیف می‌کند: «انگار تعداد زیادی کتاب را پاره کرده‌اید، صفحاتشان را قاطی کرده‌اید و حالا می‌خواهید داستان یک کتاب خاص را پیدا کنید.»
در این مرحله، ابزارهای بیوانفورماتیک با مقایسه قطعات DNA با پایگاه‌های داده جهانی، تعیین می‌کنند هر قطعه به کدام موجود یا باکتری تعلق دارد و به دانشمندان اجازه می‌دهند اطلاعات موردنظرشان را استخراج کنند.
وقتی فناوری و شانس دست به دست هم می‌دهند
بقای DNA باستانی کاملاً به شرایط محیطی بستگی دارد. گرمای شدید، رطوبت بالا یا گذشت زمان طولانی می‌تواند آن را غیرقابل استفاده کند. با این حال، امروزه فناوری به حدی پیشرفت کرده که دانشمندان توانسته‌اند DNA یک میلیون ساله را نیز استخراج و توالی‌یابی کنند. به گفته پژوهشگران: «اگر DNA هنوز وجود داشته باشد و به خوبی حفظ شده باشد، ما می‌توانیم آن را بازیابی کنیم.»
جمع‌بندی: رمزگشایی از گذشته با مولکول‌های شکننده
DNA باستانی یکی از هیجان‌انگیزتری ابزارهای علمی عصر ماست و به دانشمندان اجازه می‌دهد:
- جایگاه تکاملی گونه‌های منقرض‌شده را مشخص کنند
- بیماری‌های مرگبار گذشته را شناسایی کنن
- مسیر مهاجرت انسان‌ها را بازسازی کنند
- و حتی بخش‌هایی از تاریخ گمشده تمدن‌ها را زنده کنند
استخراج و تحلیل DNA باستانی ترکیبی است از فناوری‌های پیشرفته، آزمایشگاه‌های فوق‌استریل، تحلیل‌های پیچیده رایانه‌ای و مقدار زیادی شانس. اما نتیجه این تلاش‌ها فراتر از داده‌های علمی است:
«DNA باستانی پلی است میان امروز و گذشته دور، و به ما اجازه می‌دهد تاریخ جهان و حیات روی زمین را به شکلی زنده و ملموس تجربه کنیم.»
دستاوردهایی از این دست نمونه‌ای روشن از نوآوری‌های مبتنی بر علوم‌پایه هستند که نسل جوان پژوهشگران می‌توانند با خلاقیت و تحقیق دقیق به آن دست یابند؛ همان‌طور که در جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان به اهمیت آن تأکید می‌شود. این رویکرد نشان می‌دهد که ترکیب کنجکاوی علمی و پژوهش دقیق می‌تواند درک ما از گذشته و مسیر آینده علم را متحول کند.
منبع: Pop Science
