Sedimenten waarin archeologische vondsten zijn ingebed, worden door de meeste archeologen lange tijd beschouwd als onbelangrijke bijproducten van opgravingen. De afgelopen jaren is echter aangetoond dat sedimenten oude biomoleculen kunnen bevatten, waaronder DNA. "Het ophalen van oud menselijk en dierlijk DNA uit sedimenten biedt opwindende nieuwe mogelijkheden om de geografische en temporele verspreiding van oude mensen en andere organismen te onderzoeken op plaatsen waar hun skeletresten zeldzaam of afwezig zijn", zegt Matthias Meyer, senior auteur van de studie en onderzoeker aan het Max Planck Instituut voor Evolutionaire Antropologie in Leipzig.

Om de oorsprong van DNA in het sediment te onderzoeken, werkten Max Planck-onderzoekers samen met een internationale groep geoarcheologen - archeologen die geologische technieken toepassen om de vorming van sediment en locaties te reconstrueren - om DNA-conservering in sediment op microscopische schaal te bestuderen. Ze gebruikten ongestoorde blokken sediment die eerder waren verwijderd van archeologische vindplaatsen en gedrenkt in synthetische plasticachtige (polyester)hars. De geharde blokken werden naar het laboratorium gebracht en in secties gesneden voor microscopische beeldvorming en genetische analyse.

De onderzoekers hebben met succes DNA geëxtraheerd uit een verzameling sedimentblokken die al 40 jaar geleden zijn bereid, van locaties in Afrika, Azië, Europa en Noord-Amerika. "Het feit dat deze blokken een uitstekende bron zijn van oud DNA - inclusief dat afkomstig van mensachtigen - ondanks vaak decennialange opslag in plastic, biedt toegang tot een enorme onaangeboorde opslagplaats van genetische informatie. De studie opent een nieuw tijdperk van oud DNA-onderzoek die in laboratoria opgeslagen monsters opnieuw zullen bezoeken, waardoor analyse mogelijk wordt van sites die al lang zijn opgevuld, wat vooral belangrijk is gezien de reisbeperkingen en de ontoegankelijkheid van sites in een pandemische wereld", zegt Mike Morley van de Flinders University in Australië, die een aantal van de geoarcheologische analyses.

Overvloed aan micro-resten in de sedimentmatrix

De wetenschappers gebruikten blokken sediment uit de Denisova-grot, een locatie in het Altai-gebergte in Zuid-Centraal Siberië waar oud DNA van Neanderthalers, Denisovans en moderne mensen is teruggevonden, en toonden aan dat kleine organische deeltjes meer DNA opleverden dan willekeurig bemonsterd sediment. "Het laat duidelijk zien dat het hoge succespercentage van het ophalen van oud zoogdier-DNA uit de Denisova-grottensedimenten afkomstig is van de overvloed aan micro-resten in de sedimentmatrix in plaats van van vrij extracellulair DNA uit uitwerpselen, lichaamsvloeistoffen of ontbindend celweefsel dat mogelijk wordt geadsorbeerd op minerale korrels, ", zegt Vera Aldeias, co-auteur van de studie en onderzoeker aan de Universiteit van Algarve in Portugal. "Deze studie is een grote stap dichterbij om precies te begrijpen waar en onder welke omstandigheden oud DNA in sedimenten wordt bewaard", zegt Morley.

De in de studie beschreven aanpak maakt zeer gelokaliseerde microschaal bemonstering van sediment voor DNA-analyses mogelijk en laat zien dat oud DNA (aDNA) niet uniform in het sediment is verdeeld; en dat specifieke sedimentkenmerken meer bevorderlijk zijn voor het behoud van oud DNA dan andere. "Door sediment-aDNA te koppelen aan de archeologische micro-context, kunnen we ook de mogelijkheid van fysieke verplaatsing van aDNA tussen sedimentaire afzettingen aanpakken", zegt Susan Mentzer, een onderzoeker bij het Senckenberg Center for Human Evolution and Palaeoenvironment (Duitsland).

Diyendo Massilani, de hoofdauteur van de studie, was in staat om substantiële hoeveelheden Neanderthaler-DNA terug te winnen uit slechts enkele milligrammen sediment. Hij kon het geslacht identificeren van de individuen die hun DNA achterlieten en toonde aan dat ze behoorden tot een populatie die verwant was aan een Neanderthaler wiens genoom eerder was gereconstrueerd uit een botfragment dat in de grot was ontdekt. "Het Neanderthaler-DNA in deze kleine monsters van in plastic ingebed sediment was veel geconcentreerder dan wat we doorgaans vinden in los materiaal", zegt hij. "Met deze benadering wordt het in de toekomst mogelijk om het DNA van veel verschillende oude menselijke individuen te analyseren uit slechts een kleine kubus van gestold sediment. Het is grappig om te denken dat dit vermoedelijk zo is, omdat ze de grot als toilet gebruikten voor tientallen duizenden jaren geleden."

Het onderzoek is gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences .