Het veld van oud DNA heeft belangrijke aspecten van het menselijke evolutionaire verleden onthuld, inclusief relaties met denisovamensen en neanderthalers. Deze studies zijn gebaseerd op DNA van botten en tanden, die DNA opslaan en beschermen tegen de omgeving. Maar dergelijke skeletresten zijn buitengewoon zeldzaam, waardoor grote delen van de menselijke geschiedenis ontoegankelijk blijven voor genetische analyse.

Om deze lacunes op te vullen, onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Evolutionaire Antropologie hebben nieuwe methoden ontwikkeld voor het verrijken en analyseren van menselijk nucleair DNA uit sedimenten, die op bijna elke archeologische vindplaats in overvloed aanwezig zijn. Tot nu, alleen mitochondriaal DNA is teruggevonden in archeologische sedimenten, maar dit is van beperkte waarde voor het bestuderen van populatierelaties. De komst van nucleaire DNA-analyses van sedimenten biedt nieuwe mogelijkheden om het diepe menselijke verleden te onderzoeken.

Sedimenten kunnen genetisch materiaal van andere zoogdieren bevatten

Bij het extraheren van oud menselijk DNA uit de sedimenten, de wetenschappers moesten voorzichtig zijn om de aanzienlijke hoeveelheid DNA van andere zoogdieren te vermijden, zoals beren en hyena's. "Er zijn veel plaatsen in het menselijk genoom die erg lijken op het DNA van een beer, bijvoorbeeld, " zei Benjamin Vernot, de eerste auteur van de studie. De onderzoekers richtten zich specifiek op regio's in het genoom waar ze erop konden vertrouwen dat ze alleen menselijk DNA zouden isoleren, en ze ontwierpen ook methoden om hun succes bij het verwijderen van niet-menselijk DNA te meten. "We wilden er zeker van zijn dat we niet per ongeluk naar een onbekende hyena-soort keken, ' zei Vernot.

De wetenschappers pasten hun technieken toe om meer dan 150 sedimentmonsters uit drie grotten te bestuderen. Bij twee hiervan - de Chagyrskaya- en Denisova-grotten in het Altai-gebergte in Zuid-Siberië - hadden eerdere studies DNA van botten geanalyseerd. Zo konden de auteurs het DNA van sedimenten vergelijken met het DNA van botten. "De technieken die we hebben ontwikkeld zijn erg nieuw, en we wilden ze kunnen testen op plaatsen waar we wisten wat we konden verwachten, " zei Matthias Meyer, de senior auteur van het onderzoek. De onderzoekers ontdekten dat DNA uit de sedimenten het nauwst verwant was aan genomen die uit botten van die locaties waren gehaald, waardoor ze vertrouwen hebben in de robuustheid van hun methoden.

Nucleair DNA teruggevonden uit grotafzettingen in Noord-Spanje

Opgravingen op de derde site, Galería de las Estatuas in Noord-Spanje, onder leiding van Juan Luís Arsuaga van Universidad Complutense de Madrid, had stenen werktuigen blootgelegd in een periode tussen 70 en 115 duizend jaar geleden. Maar er was slechts één enkel Neanderthaler teenbeen gevonden, en het was te klein om DNA te bemonsteren. "Er was geen manier om de genetica van de Neanderthalers die in Estatuas woonden te bestuderen, " zei Asier Gómez-Olivencia, een wetenschapper in het Estatuas-team van Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea. Het nucleaire DNA dat uit de sedimenten werd gehaald, onthulde dat niet één, maar twee Neanderthalers hadden in de grot gewoond, waarbij de oorspronkelijke groep ongeveer 100 duizend jaar geleden werd vervangen door een latere groep.

Toen de wetenschappers het sediment-DNA vergeleken met andere skeletmonsters, ze merkten een opvallende trend op - er leken twee "stralingen" van Neanderthalers te zijn geweest, met de oudere Estatuas-populatie als gevolg van één straling, en de jongere bevolking van een tweede evenement. "We vroegen ons af of deze stralingen, samen met de bevolkingsvervanging in Estatuas, verband zou kunnen houden met klimaatveranderingen, of aan veranderingen in de morfologie van de Neanderthalers die rond deze periode plaatsvonden - hoewel we meer gegevens nodig hebben om zeker te zijn, " zei Juan Luís Arsuaga.

Nieuwe inzichten in het diepe menselijke verleden

Zelfs voor sites waar studies eerder DNA van botten hebben geanalyseerd, uit de sedimenten kunnen nieuwe inzichten worden gehaald. Bij de Chagyrskaya-grot, eerdere archeologische studies hadden gesuggereerd dat de Neanderthalers tot één enkele populatie behoorden, en woonde er maar kort. Maar omdat eerder werk slechts één enkel genoom had teruggevonden van een van de botten die op de site werden gevonden, er was geen manier om te zeggen of het representatief was voor de hele bevolking die rond de Chagyrskaya-grot woonde. Het sediment-DNA kon deze hypothese bevestigen. "We hebben sedimentmonsters genomen uit de hele stratigrafie, en ze leken allemaal erg op het DNA van het bot, hoewel het sediment-DNA afkomstig was van meerdere individuen, " zei Kseniya Kolobova van het Instituut voor Archeologie en Etnografie, Russische Academie van Wetenschappen, de hoofdarcheoloog van de Chagyrskaya-grot.

"Het aanbreken van nucleaire DNA-analyse van sedimenten breidt het scala aan opties om de evolutionaire geschiedenis van oude mensen te plagen enorm uit, " zei Vernot. Door het veld van oud DNA te bevrijden van de beperkingen van het vinden van menselijke resten en door het aantal locaties uit te breiden die mogelijk geschikt zijn voor onderzoek, "we kunnen nu het DNA van veel meer menselijke populaties bestuderen, en uit veel meer plaatsen, dan voorheen voor mogelijk werd gehouden, ' zei Meijer.