DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-025-07616-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39930064
تاريخ النشر: 2025-02-10
المؤلف: Anne Eriksen وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات الحفظ والدراسات
نظرة عامة
في هذه الدراسة، قمنا بفحص تدهور الحمض النووي للعظام على مدى 43 عامًا تحت حالتين متميزتين: في الموقع وداخل مجموعة متحفية. شمل تحقيقنا التصنيف الضريبي للميكروبيوم العظمي، وفحص إنزيمات تدهور العظام، وتحليل أنماط تلف الحمض النووي لتقييم صلاحية البكتيريا الموجودة. أشارت النتائج إلى أن الحمض النووي من العظام التي تُركت في الموقع أظهر حفظًا أفضل من حيث الجودة والكمية مقارنة بتلك المخزنة في المتحف، حيث انخفضت متوسط أطوال قطع الحمض النووي من 70 زوجًا قاعديًا (bp) إلى 55 bp خلال التخزين. يثير هذا الانخفاض مخاوف بشأن صلاحية الحمض النووي المخزن في المتحف للبحوث البيومولكولية المستقبلية، نظرًا للقيود الحالية في التسلسل التي تعتمد على أطوال القطع بين 20-50 bp.
بالإضافة إلى ذلك، حددنا بكتيريا ذات قدرات على تدهور العظام في كلتا مجموعتي العظام ولاحظنا تحولات كبيرة في تنوع الميكروبات تأثرت بالظروف المناخية على مدى 43 عامًا. أظهرت المجتمعات الميكروبية في العظام المستخرجة حديثًا تركيبة فريدة، متميزة عن التربة المحيطة، مما يشير إلى وجود ميكروبات متخصصة تعيش في العظام. على العكس، عكست العظام المخزنة في ظروف المتحف مزيجًا من الميكروبات المشتقة من التربة وتلك المتراكمة خلال التخزين. تشير نتائجنا إلى أن التخزين في المتحف قد يسرع من تدهور الحمض النووي، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث حول ظروف التخزين المثلى للحفاظ على المواد الجينية للدراسات المستقبلية. بينما قد يؤدي ترك المواد الأثرية في الموقع إلى تعزيز الحفظ، فإن هذا النهج ليس ممكنًا في المواقع التي تواجه تهديدات فورية، مثل التآكل أو التنمية الحضرية.
الطرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح اختيار المواد، بما في ذلك الكواشف والمعدات المحددة المستخدمة، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان إمكانية تكرار النتائج ودقتها. تشمل المنهجية كل من التحليلات النوعية والكمية، مع تسليط الضوء على التقنيات الإحصائية المطبقة لتفسير البيانات بشكل فعال.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم عمليات إعداد العينات، وظروف التجربة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتخفيف من التحيزات. تعتبر صرامة الطرق ضرورية للتحقق من صحة النتائج، مما يضمن أن تكون النتائج موثوقة وقابلة للتطبيق في سياق البحث الأوسع. بشكل عام، يعمل هذا القسم كعنصر أساسي يدعم نزاهة استنتاجات الدراسة.
النتائج
في هذه الدراسة، تم استخراج الحمض النووي من 33 عينة من أضلاع الرنة (Rangifer tarandus)، حيث تم جمع 16 عينة خلال تنقيب عام 2021 و17 عينة من تنقيب عام 1978 في Aasivissuit، وهو معسكر صيد صيفي إنويتي في غرب غرينلاند. بالإضافة إلى ذلك، تم أخذ تسع عينات من التربة في عام 2021 من أعماق مختلفة ضمن الملف الطبقي، إلى جانب عينة مرجعية من خارج الموقع الأثري. تم احتلال الموقع بشكل متقطع من قبل السكان الإنويت من عام 1200 إلى 1950 ميلادي. تم تحديد حالة حفظ مادة العظام وبيئة الدفن، مما كشف أن العوامل البيئية مثل الرقم الهيدروجيني، ومحتوى الماء، ودرجة الحرارة تؤثر بشكل كبير على تدهور الحمض النووي.
تظهر القمامة في Aasivissuit متوسط رقم هيدروجيني يبلغ 5.6، مع تباينات عبر طبقات مختلفة، ومحتوى مائي يتراوح بين 45% و70% من حيث الحجم. تراوحت مسامية التربة من 65% إلى 76%، مما يشير إلى فترات من نقص الأكسجين. تراوحت درجات حرارة التربة من -20 درجة مئوية في الشتاء إلى 10 درجات مئوية في الصيف، دون وجود تجمد دائم. تراوحت درجات أيام الذوبان السنوية (TDD) من 400 درجة مئوية/سنة في الطبقات الأعمق إلى 1200 درجة مئوية/سنة في الطبقات العليا، مما يتناقض بشكل حاد مع 8100 درجة مئوية/سنة التي لوحظت في ظروف التخزين في المتحف. يشهد الموقع هطول أمطار سنوية منخفضة (168 مم)، ومع ذلك يحتفظ بمحتوى مائي مرتفع بسبب مصفوفة التربة الغنية بالطفيل، بينما تتميز ظروف التخزين في المتحف برطوبة أقل ودرجات حرارة أعلى، مما قد يؤثر على الحفظ على المدى الطويل للعينات.
المناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على اختيار وتحليل عينات العظام من الرنة (Rangifer tarandus) لتقييم حفظ الحمض النووي والمجتمعات الميكروبية. تم اختيار العينات بدقة بناءً على الأنواع، وحالة الحفظ، وطبقات التربة، مما كشف أن العظام المستخرجة حديثًا من عام 2021 تحتوي على تركيزات أعلى بكثير من الحمض النووي الميتوكوندري القابل للتضخيم (mtDNA) مقارنة بتلك المخزنة في المتحف منذ عام 1978. على وجه التحديد، تطلبت عينات عام 2021 عددًا أقل من دورات qPCR للتضخيم، مما يشير إلى زيادة بمقدار 16 ضعفًا في الحمض النووي الميتوكوندري القابل للتضخيم. بالإضافة إلى ذلك، كانت متوسط طول القراءة للتسلسلات التي تتطابق مع جينوم الرنة أطول في عينات عام 2021، مما يشير إلى سلامة أفضل للحمض النووي. كما أبرزت الدراسة أن الظروف البيئية، وخاصة بيئة الدفن الخالية من الأكسجين والباردة، كانت أكثر ملاءمة لحفظ الحمض النووي مقارنة بالظروف المتقلبة للتخزين في المتحف.
علاوة على ذلك، كشفت التحليلات الميكروبية عن اختلافات واضحة في المجتمعات الميكروبية بين سنتي التنقيب. أظهرت العظام من عام 2021 تنوعًا أعلى، مما يشير إلى مجتمع ميكروبي أكثر تنوعًا، بينما أظهرت عينات عام 1978 تحولًا نحو ملف ميكروبي أكثر تعقيدًا، قد يتأثر بكل من ظروف التربة وظروف المتحف. تم ملاحظة وجود إنزيمات تدهور العظام في جميع العينات، ومع ذلك فإن عدم وجود تآكل حيوي مرئي في التحليل النسيجي يشير إلى أن النشاط الميكروبي قد لا يكون قد قام بتدهور العظام بنشاط، خاصة في البيئة القطبية الباردة. تؤكد النتائج على أهمية العوامل البيئية في حفظ الحمض النووي وديناميات الميكروبات، مما يثير مخاوف بشأن صلاحية العظام المخزنة في المتحف للدراسات الجينية المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-025-07616-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39930064
Publication Date: 2025-02-10
Author(s): Anne Eriksen et al.
Primary Topic: Conservation Techniques and Studies
Overview
In this study, we examined the degradation of bone DNA over a 43-year period under two distinct conditions: in situ and within a museum collection. Our investigation included taxonomic classification of the bone microbiome, screening for bone-degrading enzymes, and analysis of DNA damage patterns to assess the viability of bacteria present. The results indicated that DNA from bones left in situ exhibited superior preservation in both quality and quantity compared to those stored in a museum, with average DNA fragment lengths decreasing from 70 base pairs (bp) to 55 bp during storage. This decline raises concerns regarding the viability of museum-stored DNA for future biomolecular research, given the current sequencing limitations that rely on fragment lengths between 20-50 bp.
Additionally, we identified bacteria with bone-degrading capabilities in both sets of bones and noted significant shifts in microbial diversity influenced by climatic conditions over the 43 years. The microbial community in freshly excavated bones showed a unique composition, distinct from the surrounding soil, indicating the presence of specialized bone-dwelling microorganisms. Conversely, bones stored in museum conditions reflected a blend of soil-derived microbes and those accumulated during storage. Our findings suggest that museum storage may accelerate DNA degradation, emphasizing the need for further research on optimal storage conditions to preserve genetic material for future studies. While leaving archaeological materials in situ could enhance preservation, this approach is not feasible in sites facing immediate threats, such as erosion or urban development.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the selection of materials, including specific reagents and equipment used, as well as the protocols followed to ensure reproducibility and accuracy of results. The methodology encompasses both qualitative and quantitative analyses, highlighting the statistical techniques applied to interpret the data effectively.
Additionally, the section may describe the sample preparation processes, experimental conditions, and any controls implemented to mitigate biases. The rigor of the methods is crucial for validating the findings, ensuring that the results are both reliable and applicable to the broader research context. Overall, this section serves as a foundational component that supports the integrity of the study’s conclusions.
Results
In this study, DNA was extracted from 33 caribou (Rangifer tarandus) rib specimens, with 16 collected during a 2021 excavation and 17 from a 1978 excavation at Aasivissuit, an Inuit summer hunting camp in West Greenland. Additionally, nine soil samples were taken in 2021 from varying depths within the stratigraphic profile, alongside a reference sample from outside the archaeological site. The site has been intermittently occupied by Inuit populations from 1200 to 1950 AD. The preservation state of the bone material and the burial environment were characterized, revealing that environmental factors such as pH, water content, and temperature significantly influence DNA degradation.
The midden at Aasivissuit exhibits a mean pH of 5.6, with variations across different layers, and water content fluctuating between 45% and 70% by volume. Soil porosity ranged from 65% to 76%, indicating periods of anoxia. Soil temperatures varied from -20 °C in winter to 10 °C in summer, with no permafrost present. The annual thawing degree days (TDD) ranged from 400 °C/year in deeper layers to 1200 °C/year in upper layers, contrasting sharply with the 8100 °C/year observed in museum storage conditions. The site experiences low annual precipitation (168 mm), yet retains high water content due to the silt-rich soil matrix, while the museum storage conditions are characterized by lower humidity and higher temperatures, which may affect the long-term preservation of the specimens.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the selection and analysis of bone samples from caribou (Rangifer tarandus) to assess DNA preservation and microbial communities. The samples were meticulously chosen based on species, preservation state, and soil layers, revealing that newly excavated bones from 2021 contained significantly higher concentrations of amplifiable mitochondrial DNA (mtDNA) compared to those stored in a museum since 1978. Specifically, the 2021 samples required fewer qPCR cycles for amplification, indicating a 16-fold increase in PCR amplifiable mtDNA. Additionally, the average read length of sequences mapping to the caribou genome was longer in the 2021 samples, suggesting better DNA integrity. The study also highlighted that environmental conditions, particularly the anoxic and cold burial environment, were more conducive to DNA preservation than the fluctuating conditions of museum storage.
Furthermore, the microbial analysis revealed distinct differences in microbial communities between the two excavation years. The bones from 2021 exhibited a higher alpha diversity, indicating a more diverse microbial community, while the 1978 samples showed a shift towards a more complex microbial profile, potentially influenced by both soil and museum conditions. The presence of bone-degrading enzymes was noted in all samples, yet the lack of visible bioerosion in the histological analysis suggests that microbial activity may not have been actively degrading the bones, particularly in the cold Arctic environment. The findings underscore the importance of environmental factors in DNA preservation and microbial dynamics, raising concerns about the long-term viability of museum-stored bones for future genetic studies.