Fundacja na rzecz Nauki Polskiej obchodzi w tym roku 25-lecie swojej działalności. Z tej okazji zaprosiliśmy 25 laureatów naszych programów do rozmowy o tym, jak się ?robi? naukę. Co ich fascynuje?  Co jest tak ciekawe i ważne w tym, czym się zajmują, że zdecydowali się poświęcić temu większą część życia? Jak osiąga się sukces?

Bohaterki i bohaterowie wywiadów to badacze, którzy reprezentują wiele odległych od siebie dziedzin, są na różnych etapach kariery naukowej i mają różnorodne doświadczenia. Łączy ich jedno ? uprawiają naukę na światowym poziomie, mają na koncie imponujące osiągnięcia, a w swoim bogatym CV ? różnego typu wsparcie od FNP. Kolejne wywiady będą ukazywać siię cyklicznie na stronie FNP.

Zapraszamy do lektury!

DNA, kości i uczeni

PATRYCJA DOŁOWY: Podoba mi się, że ma Pani swoją stronę internetową i fanpage na facebooku. To nie jest częste wśród naukowców.

MARTYNA MOLAK-TOMSIA: Nauczyłam się tego, gdy robiłam doktorat w Australii. Bardzo nas tam pilnowali, by informacje zamieszczać na bieżąco na stronie internetowej. Polska dopiero dojrzewa do takiego rodzaju popularyzacji nauki. Do niedawna naukowcy przebywali w wieży z kości słoniowej, nie mieli żadnego kontaktu z ?żywym? człowiekiem, nie odczuwali potrzeby opowiadania społeczeństwu, o tym, co robią. Nie rozmawiali nawet z innymi badaczami, poza ścisłymi specjalistami ze swojej dziedziny, których spotykali na konferencjach i którzy czytali ich artykuły w czasopismach specjalistycznych. Moim zdaniem na nas naukowcach spoczywa odpowiedzialność wyjaśnienia podatnikowi w prostych słowach, co robimy i na co idą jego pieniądze. Na stronie internetowej zamieszczam informacje w przystępnej formie.

I przy okazji pokazuje Pani jak fascynująca może być genetyka. Ludzie kojarzą tę dziedzinę głównie z GMO i niestety się jej boją.

Ja nie pracuję z organizmami modyfikowanymi, które budzą największą, nieuzasadnioną trwogę w środowiskach pozanaukowych. Mój kawałek biologii molekularnej jest, jak to się  potocznie mówi, sexy. To badania z pogranicza ?Indiana Jones? i ?Jurassic Park?. Biorę stare kości, które wykopał archeolog i wyciągam z nich informację genetyczną. Używam narzędzi biologii molekularnej do rozwiązywania problemów stawianych przez archeologów i historyków. To trochę inna biologia. Dzięki genetyce możemy odpowiadać na pytania, jak migrowały konkretne grupy ludzi, jak są ze sobą powiązane. To trochę z pogranicza science fiction, więc jest dla ludzi interesujące. Czasem tylko budzi strach przez  historie, takie jak ta o Parku Jurajskim. Dziedzina zajmująca się antycznym DNA, choć akurat nie moja jej część, analizuje także materiał genetyczny dawnych zwierząt. W perspektywie może być wykorzystana do klonowania dawno wymarłych gatunków. Takich jak mamuty. Dinozaury raczej nie.

Dlaczego nie dinozaury?

DNA zostaje w komórkach żywych organizmów po ich śmierci, jednak z czasem się zmienia. Jest zjadany przez mikroorganizmy, rozkładany przez enzymy. Zachodzą też spontaniczne reakcje fizyko-chemiczne, które sprawiają, że fragmenty DNA są coraz krótsze, coraz trudniej je analizować. Im starsze szczątki, w im gorszych warunkach leżały, tym trudniej się ich DNA odzyskuje. Można badać szczątki nawet sprzed kilkuset tysięcy lat, pod warunkiem, że leżały np. w wiecznej zmarzlinie albo w jaskini. W stałej temperaturze. Z dinozaurami, które wyginęły 65 milionów lat temu to trudna sprawa.  Nie ma chyba takiego miejsca na Ziemi, w którym utrzymałaby się w miarę stała, niska temperatura przez dziesiątki milionów lat. To na tyle długi czas, że raczej nie da się odtworzyć dinozaurów z ich antycznego DNA. Wprawdzie jeszcze parę lat temu wydawało się niemożliwe, żeby z badaniem DNA wyjść poza kilka tysięcy lat, ale w przypadku dinozaurów ograniczeniem są proste przyczyny fizykochemiczne.

Ale mamuty się da?

Ciała mamutów zachowały się dzięki wiecznej zmarzlinie. Gdy topniejący lód je odsłania, są w tak dobrym stanie, że syberyjskie psy je zjadają. Może nawet ludzie, chociaż ja bym nie próbowała? W każdym razie mamy pełną informację genetyczną mamutów. Zsekwencjonowano cały ich genom. Dokładnie wiemy, czym się mamut różni od swojego najbliższego krewnego, czyli słonia indyjskiego. Możemy (na razie w teorii) tak zmodyfikować genom słonia, by pozyskać mamuta. To długotrwały i drogi projekt, ale nie jest poza naszym zasięgiem. Być może jeszcze za naszego życia, uda nam się zobaczyć chodzące mamuty.

Niesamowite! Ale Pani nie współpracuje z paleobiologami, tylko z archeologami?

Tak, ja się zajmuję ludźmi. Nie tak starymi. Moje badania skupiają się na ludziach z naszej ery. Badałam średniowiecznych Słowian z terenów wschodniej Polski, Indian z terenów dzisiejszego Peru, z okresu inkaskiego. Teraz badamy cywilizację sprzed ponad 1000 lat, żyjącą nad jeziorem Titikaka. Moi współpracownicy właśnie wrócili z Boliwii po zebraniu próbek.

Na zdjęciu dr Martyna Molak-Tomsia, fot. Magdalena Wiśniewska

Rzeczywiście jak Indiana Jones!

Zbieramy próby kości osób z interesującej nas kultury, wyciągamy z nich informację genetyczną, porównujemy ich między sobą. Jesteśmy w stanie stwierdzić, jakie są ich relacje rodzinne. W Peru analizowaliśmy groby, w których chowano po kilka osób. Potwierdziliśmy hipotezę etnologów i historyków, że były to osoby z jednej linii męskiej razem ze swoimi żonami. Sprawdzaliśmy też pokrewieństwo między mieszkańcami trzech peruwiańskich wiosek, oddalonych od siebie o 30 kilometrów. Odkryliśmy, że przemieszczały się głównie kobiety. Nasze wnioski były zgodne z hipotezą, że małżeństwa były zawierane między wioskami, a nowo poślubiona żona przenosiła się do wioski męża. Jak widać nie zajmujemy się właściwie biologią, choć nasze narzędzia są biologiczne, Ale badacze, którzy pracują ze starszymi szczątkami odpowiadają na pytania biologii. Na przykład niedawno odkryli, jakie jest pokrewieństwo człowieka z neandertalczykiem. Przez lata nie umiano potwierdzić, czy neandertalczyk był naszym przodkiem czy kuzynem. Zakładano, że w okresie, w którym Homo sapiens żył już na terenie Bliskiego Wschodu i Europy, jednocześnie z neandertalczykiem, te grupy nie mieszały się ze sobą. Dzięki badaniom antycznego DNA wiemy, że jednak się mieszały. Wszyscy ludzie spoza Afryki ? każdy potomek tej migracji ma w sobie około 2-3% genomu neandertalczyka.

Czyli genetycznie to nie był inny gatunek?

Wszystko zależy od definicji. W dziedzinie biologii gatunków toczą się wciąż wielkie debaty. Teraz, dzięki genetyce, wiele starych paradygmatów musiało zostać przebudowanych. Jedna z definicji mówi, że jeśli osobniki tworzą płodne potomstwo to są z jednego gatunku. Według tej definicji, człowiek współczesny i neandertalczyk to ten sam gatunek. Kilka lat temu zbadano DNA z jednej maleńkiej kości paliczka ? kawałka palca, który został wydobyty w jaskini Denisowa na Syberii. Wcześniej na tę kość patrzył antropolog i powiedział: gatunek ludzkopodobny. Po zbadaniu DNA, okazało się, że to zupełnie odrębna grupa Homo. Rozwój genetyki antycznego DNA pozwolił nam na niezwykłe odkrycia. Nigdy byśmy się nie spodziewali, że jakaś zupełnie inna grupa hominidów żyła obok nas. Nasze drzewo ewolucyjne jest dużo bardziej skomplikowane niż sądziliśmy. Skoro udało się znaleźć tę jedną odrębną grupę, to może było ich jeszcze wiele i czeka nas więcej odkryć, a ludzkie drzewo okaże się skomplikowanym krzakiem.

Ostatnio pojawiły się testy, w których możemy zbadać swoje DNA i sprawdzić, skąd przyszli nasi przodkowie. Oczywiście okazuje się zwykle, że z różnych stron, że wszyscy jesteśmy wymieszani.

Sama uczestniczyłam w jednych z takich badań w programie ?Genographic?, firmowanym przez National Geographic. Przesyłają zestaw: jest tam patyczek, skrobie się nim wewnętrzną stronę policzka, zamyka szczelnie próbkę i wysyła. Badają w tym teście wiele markerów genetycznych rozsianych w genomie. W tej chwili znamy ich miliony. Można porównywać ich kompozycje u konkretnego człowieka i sprawdzać, do których grup porównawczych jest on najbardziej zbliżony. Wysyłają na przykład taki wykres że w 87% jesteś środkowym Europejczykiem, a jakaś część twoich przodków przyszła z dalekiej Azji. Badają też kilka innych markerów, które dają mniej informacji, ale za to bardziej jednoznaczne w interpretacji wyniki. Na przykład na podstawie mitochondrialnego DNA można dość dokładnie określić skąd przyszli przodkowie z linii matczynej ? matka, babka, prababka itd. DNA mitochodrialny jest dziedziczony z matki na dzieci w niezmienionej formie (nie ulega krzyżowaniu między rodzicielskimi cząsteczkami). Z drugiej strony sporadyczne mutacje zachodzą w nim częściej niż w DNA genomowym. Można dzięki temu dość precyzyjnie śledzić tysiąclecia po tysiącleciach. Śledzi się też DNA chromosomu Y po linii ojcowskiej.

Można określić czas, kiedy ci przodkowie migrowali, kiedy się spotkali?

Te metody mają dosyć dużo założeń. Jest sporo niewiadomych. Mój doktorat dotyczył właśnie dopracowania jednej z takich metod. Potrzebujemy określić, jak szybko następują zmiany w genomie, a to jest trudne. Z pomocą przychodzi antyczny DNA. Mamy kość, którą udało nam się zbadać i możemy wydatować jej wiek radiowęglowo, na przykład na 30 tysięcy lat. Ta kość ma określony typ genetyczny, który porównujemy z materiałami współczesnymi. Dzięki temu wiadomo, ile mutacji pojawiło się w genomie przez 30 tysięcy lat. Oczywiście, żeby móc obliczyć, jak szybko mutuje DNA, musimy mieć dużo takich danych z różnych okresów.

A jak te Wasze badania wyglądają w praktyce? Dostajecie kość od archeologa i co dalej?

Kość lub ząb musimy najpierw wyczyścić z zewnątrz, bo dotykało go mnóstwo osób: gdzieś leżał, gdzieś był przenoszony, jest na nim dużo DNA, z powietrza, z naskórka. DNA, który jest w środku kości jest bardzo stary, zniszczony. Jakikolwiek, nawet najmniejszy sygnał ze ?świeżego? DNA będzie mocniejszy niż ten z antycznego. Do oczyszczania używamy różnych roztworów, które likwidują DNA. Można też (i zwykle to robimy) fizycznie zedrzeć warstwę wierzchnią. W grę wchodzą wiertarki i szlifierki. Bardzo dużą część mojej pracy, zajmuje multiszlifierką ręczna. Gdy ząb jest już oczyszczony, musimy dostać się do DNA, który jest w środku, między strukturami mineralnymi kości. Używamy do tego różnych chemikaliów i ich roztworów, które trawią białka otaczające DNA. Pozbywamy się warstwy mineralnej. Żeby to było efektywne musimy zwiększyć powierzchnię styku kawałka zęba z roztworami. Tu znów w grę wkracza wiertarka. Musimy ząb zetrzeć na jak najmniejsze kawałki. Mamy też specjalne młynki do rozdrabniania zębów czy kości na drobny proch. Do otrzymanego proszku dodaje się roztwory chemiczne, które uwalniają DNA w czystej postaci. Chodzi o to, by oddzielić DNA od białek i innych substancji. Wykorzystujemy to, że DNA rozpuszcza się w innych warunkach niż białka oraz, że jest naładowane elektrycznie. Na koniec mamy probówkę i nadzieję, że w środku znajduje się nasz antyczny DNA. Żeby zminimalizować zagrożenie, że w trakcie tych procedur przyfrunie nam inny DNA, wszystkie je przeprowadzamy w czystych, oddzielonych od reszty świata pomieszczeniach.

Jak z filmu ?Epidemia??

W Muzeum i Instytucie Zoologii PAN w Warszawie mamy takie pomieszczenie. Przechodzi się do niego przez śluzę, która dmucha powietrzem. To taka metalowa puszka, do której napływa jedynie powietrze oczyszczone przez zestaw filtrów. Wchodząc tam, ubieram się w jednorazowy kombinezon, maskę, dwie pary rękawiczek, ochraniacze. Kosmicznie. Wszystko po to, by nie zanieczyścić próbek DNA, którego mamy bardzo mało i jest on w bardzo słabym stanie. Gdy już mamy wyizolowany czysty DNA, wykorzystujemy różne metody, żeby uzyskać z niego informację. Na szczęście w ciągu ostatnich kilku lat nastąpił ogromny skok w analizie DNA. Pojawiły się wysokoprzepustowe, wielkoskalowe metody sekwencjonowania DNA. Ekstrakt DNA wrzuca się do maszyny, która wychwytuje pojedyncze fragmenty DNA. Wypluwa informacje w formie gigabajtów danych.  Trzeba oddzielić zanieczyszczenia od tego, co nas interesuje. Tak się to teraz robi. Największym wyzwaniem biologów molekularnych jest bioinformatyka. To jest dziś praktycznie najważniejsza część analiz.

Czyli nie musicie odtwarzać fragmentów, których wam brakuje?

Są metody, które fizycznie łączą popękane nici i stosujemy je. Ale dzięki bioinformatyce z krótkich fragmentów DNA składa się większe fragmenty na komputerze. Możemy tak odczytać praktycznie całość informacji. Taki paradoks: 30 lat temu, gdy nasza dziedzina powstała, to że DNA był bardzo zniszczony, było zmorą badaczy. Dziś, przy tych nowych metodach, to że fragmenty antycznego DNA są zniszczone chemicznie, jest bardzo charakterystyczne, więc patrząc na odczyty z maszyny sekwencjonującej, jesteśmy od razu w stanie z dużym prawdopodobieństwem odróżnić antyczny DNA od takiego, które pochodzi ze współczesnego zanieczyszczenia.

Dostała Pani stypendium z Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

W  ramach programu START otrzymałam stypendium im. Barbary Skargi wyróżniające naukowców przekraczających granice między różnymi dziedzinami nauki, potem kolejny grant. To wyjątkowy sposób pomocy badaczom. Większość grantów naukowych jest  ukierunkowana na konkretny projekt. Stypendia FNP są dla ludzi. Fundacja bierze pod uwagę, kim jesteśmy, czym się zajmujemy i czy jesteśmy warci inwestycji. To wsparcie daje spokój psychiczny, pozwala zająć się nauką. Bez niego większość naukowców musi dorabiać zleceniami. To odrywa od głównej pracy badawczej. My jesteśmy od tego wolni.

Skończyliśmy właśnie badania Słowian z wczesnego Średniowiecza, którzy żyli na Podlasiu. Mieliśmy kilka cmentarzysk z tego rejonu. Udało nam się ustalić, że ludzie się mieszali (na tych terenach przewijały się hordy wojsk), ale nie nastąpiło wyparcie czy zastąpienie. W sumie my dziś jesteśmy do tamtych genetycznie podobni. Niestety badane przez nas próbki, chociaż nie bardzo stare – zaledwie tysiąc lat – były bardzo źle zachowane. Trudno było wyciągnąć z nich informacje. U nas są ciepłe lata, zimne zimy, DNA zamarza, rozmarza, niewiele z niego zostaje. Pochówek w ziemi to też nie są warunki, które pozwalają na dobre zachowanie DNA. Mamy głównie informacje z mitochondrialnego DNA, który zachowuje się dużo lepiej w antycznym materiale, bo w każdej komórce jest tego DNA nawet kilka tysięcy kopii. Udało nam się odkryć region w obrębie Podlasia, który był trochę inny genetycznie. Dane ze źródeł historycznych sugerują, że tu rzeczywiście mogła żyć inna etnicznie grupa. Teraz następuje trudny etap integracji moich ? czysto biologicznych wyników – z informacjami archeologicznymi i historycznymi.

Praca interdyscyplinarna.

Musimy nasze wyniki zapisać w taki sposób, żeby archeolog czy historyk mógł wyciągnąć z nich wnioski. To jest wyzwanie samo w sobie. Są i inne. Tysiąc lat temu na tych ziemiach pojawiło się chrześcijaństwo. W XII wieku żyli obok siebie poganie i chrześcijanie. Chcieliśmy ich porównać. Sprawdzić, czy np. jedni wyparli drugich, czy rzeczywiście potomkowie pogan ochoczo przeszli na chrześcijaństwo. Problem w tym, że poganie palili swoich zmarłych, więc ich szczątki są tak źle zachowane, że niewiele udało nam się na ich podstawie ustalić.

To i tak niesamowite, że badacie zwykłych ludzi. Myślałam, że tylko w kryptach są dobre warunki dla DNA.

Wbrew pozorom dużo po nas zostaje i nawet z takich starych kości z ziemi można się czegoś dowiedzieć. Metody analizowania DNA bardzo się rozwijają. Ale są też projekty nastawione na konkretne, znane z historii osoby. Jest taki spektakularny przykład sprzed kilku lat. W Wielkiej Brytanii na parkingu w Leicester znaleziono szczątki, które podejrzewano o bycie szczątkami króla Ryszarda III. Wprawdzie zostały one pochowane bez żadnych honorów, ale były poszlaki wskazujące, że może to być właśnie ciało króla, który zginął w bitwie pod Bosworth w 1485 roku. Po pierwsze ustalono, że w tym miejscu, gdzie dziś znajduje się parking, położony był kościół franciszkański, w którym – według historycznych doniesień – pochowano Ryszarda III. Po drugie pochówek bez honorów ? ciało było jedynie owinięte w całun – znajduje potwierdzenie w materiałach historycznych: Henryk VII Tudor, następca Ryszarda III, nie darzył swojego poprzednika szacunkiem. Przeprowadzono analizę archeologiczną i antropologiczną tych szczątków (na kościach widoczne były ślady ciosów zadanych w walce), a następnie genetyczną. Porównanie DNA z kości z DNA żyjących potomków było bardzo łatwe, bo każdy brytyjski król ma doskonale rozpisaną genealogię. Znaleziono krewnych. Przebadano ich i porównano DNA. To był Ryszard III. Przy okazji zweryfikowano drzewo: były zdrady małżeńskie, część dzieci miała innych ojców?

U nas w Instytucie kilka lat temu identyfikowane były szczątki Mikołaja Kopernika.  Dokładność tych badań była wtedy jeszcze niestety dość ograniczona. Dziś można by było przeprowadzić je z dużo większą pewnością.

Na zdjęciu dr Martyna Molak-Tomsia, fot. Magdalena Wiśniewska

Pewnie najlepiej zachowany DNA mają egipskie mumie?

Właśnie nie! Mumie były traktowane różnymi chemikaliami, które pozwoliły zachować kształt ciała, ale degradowały DNA. Wszystkie badania prowadzone do tej pory na staroegipskich szczątkach, były podważane przez środowisko naukowe. Może w najbliższym czasie z tych niezwykle ważnych pod względem cywilizacyjnym regionów uda się pozyskać rzetelne dane genetyczne. Mumie faraonów leżą w bardzo dobrych warunkach, mają bardzo głębokie krypty, chłodną, stałą temperaturę, ale proces balsamowania zwłok w Egipcie był drastyczny dla DNA. Zresztą i z okazów muzealnych, trzymanych w formalinie trudno jest cokolwiek pozyskać. Z tego samego powodu.

A najstarszy antyczny DNA?

Najstarsze szczątki, z których udało się pozyskać DNA, należały do konia z terenów dzisiejszej Kanady. Mają około 700 tysięcy lat. To bardzo dużo. Najstarsze ludzkie szczątki ze zbadanym DNA maja około 400 tysięcy lat.

To też niezwykle dużo!

Pochodzą z jaskini w Hiszpanii. Jaskinie mają to do siebie, że jest w nich niska i stała temperatura. To, że stała jest ważne, bo każda zmiana temperatury powoduje zmiany kinetyki w mikroskali i prowadzi do rozpadu długiej cząsteczki DNA.

Analiza antycznego DNA może pomóc w rozwiązaniu zagadki zbrodni sprzed kilkudziesięciu lat?

Z naukowego punktu widzenia kości sprzed 50 lat ze śledztwa, to ten sam typ materiału genetycznego, jaki my badamy przy wykopaliskach archeologicznych. Jeśli chodzi o procedury, to w sprawach kryminalnych pozyskuje się tzw. forensic DNA (sądowe DNA). To jest inne środowisko badaczy, którzy mają swoje metody analizy DNA. Oczywiście dużo metod pokrywa się z naszymi, ale oni muszą pamiętać, że ich DNA będzie dowodem w sądzie.

Pani najbliższe plany?

Wkrótce urodzę dziecko. Przez jakiś czas będę wyłączona z nauki, ale Fundacja nie wstrzymuje mojego stypendium. Wspiera mnie również w tym przełomowym momencie życia, doceniając to, co zrobiłam wcześniej i dając mi spokój, dzięki któremu będę mogła później do nauki wrócić. Inwestuje we mnie i moją przyszłą pracę naukową.

Dr MARTYNA MOLAK-TOMSIA pracuje w Muzeum i Instytucie Zoologii PAN w Warszawie. Jest dwukrotną stypendystką programu START (2015 i 2016), w 2015 roku w ramach tego programu otrzymała stypendium im. Barbary Skargi przyznawane osobom, których badania wyróżniają się odważnym przekraczaniem granic pomiędzy różnymi dziedzinami nauki, otwierają nowe perspektywy badawcze i tworzą nowe wartości w nauce.