Hij isoleerde DNA van Egyptische mummies. Hij ontdekte de Denisovans, een uitgestorven oude mensensoort, door de DNA-sequentie van een klein stukje bot te bepalen. Hij leidde een grote studie om het Neanderthaler-genoom te reconstrueren - en vond sporen van hun genen die nog steeds in sommigen van ons op de loer liggen. Nu wil de Zweedse geneticus dr. Svante Paabo de paleontologie weer op zijn kop zetten - deze keer is hij van plan Neanderthaler stamcellen te laten groeien in kleine hersenorganoïden in een reageerbuis.
Hij is niet van plan om het Neanderthalerbrein volledig in een vat te herstellen, maar hij wil genbewerking gebruiken om menselijke stamcellen verschillende varianten van genen te geven die in Neanderthalers worden gevonden. Deze bewerkte stamcellen worden vervolgens in kleine hersencellen geplaatst die de ontwikkeling van de foetale hersenen nabootsen, compleet met hun eigen bloedvaten, neurale netwerken en functionerende synapsen.
Door de groei van niet-gemandataliseerde mini-hersenen te vergelijken met die van een mens, hoopt Paabo de genetische factoren die ons zo speciaal maken te benadrukken.
'De Neanderthalers waren intelligent, net als andere zoogdieren. Ze gingen niet de oceaan in tenzij ze de andere oever zagen”, zegt Paabo. "Maar voor mij is de grootste vraag in de geschiedenis van de mensheid: waarom zijn we zo wanhopig geworden?"
DNA-revolutie
Paleontologen hebben zich lang afgevraagd hoe evolutie onze verbazingwekkende hersenen heeft verblind. Door onze genetica te vergelijken met die van onze meest naaste aap-neven, hebben genetici nauwgezet een handvol kritisch verschillende genen geïsoleerd. Kleine mutaties in FOXP2 lijken bijvoorbeeld ten grondslag te liggen aan ons vermogen om complexe fonemen en woorden te vormen. Sommigen geloven zelfs dat FOXP2 een belangrijk biologisch voordeel is dat onze rijke, rijke taal ons geeft.
Helaas kan het vergelijken van genomen alleen genen onthullen die verschillen tussen mensen en apen - maar hoe deze genen onze hersenontwikkeling hebben gevormd, blijft onbeantwoord.
Promotie video:
"In het verleden hebben we ons alleen beperkt tot het kijken naar sequentiegegevens en het catalogiseren van verschillen in andere primaten", klaagt neurogeneticus Simon Fischer, die het Max Planck Instituut voor Psycholinguïstiek in Nijmegen leidt. "We waren een beetje teleurgesteld na zoveel jaren met traditionele instrumenten te hebben gewerkt."
Nu, dankzij verbazingwekkende DNA-technologie, staat alles op het punt te veranderen.
Ongeveer dertig jaar geleden begon Paabo serieus na te denken over een radicaal idee: kan DNA uit dood weefsel worden gehaald? Hoewel DNA relatief stabiel is in vergelijking met andere biomoleculen zoals eiwitten, begint het na de dood snel te vervallen. De beroemde dubbele helix, van nature zorgvuldig opgerold tot compacte structuren, breekt in de loop van de tijd in steeds kortere fragmenten. Het terugplaatsen van deze fragmenten in samenhangende structuren blijkt buitengewoon moeilijk te zijn, maar in 1985 toonde Paabo met behulp van de overblijfselen van een 2400 jaar oude mummie overtuigend aan dat dit mogelijk was.
Deze ontdekking gooide de deuren van de paleontologie open. Wetenschappers zijn niet langer gebonden aan het traditionele DNA van moderne, levende soorten; ze hebben nu een krachtig hulpmiddel om terug in de tijd te gaan en het DNA te onderzoeken dat verloren is gegaan in de geschiedenis.
Verblind door dit aanvankelijke succes, wendde Paabo zich tot de Neanderthalers, een mysterieuze tak van de mens die meer dan 30.000 jaar geleden uitstierf. In 2016 publiceerde hij het eerste volledige Neanderthaler-genoom, waarbij hij wetenschappers en het publiek choqueerde met een intrigerend resultaat: 1 tot 6 procent van de Neanderthaler-genen was aanwezig bij mensen uit Europa, het Midden-Oosten en het Verre Oosten. Met andere woorden, op een bepaald punt in de oude geschiedenis dansten onze voorouders horizontale tango met hun neanderthaler neven en we zijn een directe erfenis van deze dansen.
“Neanderthalers hebben een stempel gedrukt op het DNA van mensen die tegenwoordig leven. Het is erg cool. De Neanderthalers waren niet helemaal uitgestorven,”zei Paabo destijds.
Zijn ontdekking leidde tot een bredere vraag: in hoeverre zijn Neanderthalers verwant aan ons? Net als moderne mensen leefden deze hominiden met brede kaken met een prominent wenkbrauwbeen in grotten en schilderden ze op muren, maakten ze hoeden en versierden ze hun lichaam met bloemen lang voordat de moderne mens voet aan wal zette in Europa. Ze stierven echter uit en mensen bereikten een miljard in aantal en verspreidden zich over de hele wereld.
Door onze genomen te vergelijken, identificeerde het team van Paabo verschillende regio's met DNA-variaties - veranderingen die mensen kunnen helpen zich aan te passen. Onder hen zijn genomische regio's die een rol spelen bij de cognitieve ontwikkeling.
Hoewel ons enorm verschillende lot misschien niet helemaal verband houdt met verschillen in cognitie, denkt Paabo dat dit een goede plek is om te beginnen. En dankzij de organellen van de hersenen kan hij zijn idee nu testen.
Hersenen ballen
Hersenorganoïden worden anders genoemd: hersenbollen, minihersenen, cerebrale organellen. Deze bizarre ballen of hersendruppels, voor het eerst uitgevonden in 2013, zien er nogal griezelig uit. Maar omdat hun groei de ontwikkeling van het menselijke embryonale brein weerspiegelt, werden deze ballen al snel een favoriet speeltje voor neurowetenschappers.
Er zijn veel verschillende recepten om hersenorganellen te maken, maar ze zijn meestal gemaakt van menselijke stamcellen. Onder nauw toezicht ontwikkelen cellen zich met behulp van een chemische soep langzaam tot vervormde stukjes hersenweefsel. Net als het echte menselijke brein bevatten de meeste druppels een structuur die lijkt op de hersenschors, de gerimpelde buitenste laag van de hersenen die cognitieve functies op een hoger niveau organiseert, zoals aandacht, taal en denken.
Na voldoende tijd worden neuronen in de hersenballen gevuld met elektrische activiteit en verbinden ze zich met neurale netwerken, waarbij sommige verbindingen zich door de hele organoïde uitstrekken. Deze hersendruppels zijn geen 'mini-hersens' in de zin dat ze kunnen denken of voelen, nee. Maar een zorgvuldige analyse van hun cellulaire samenstelling en genexpressie bracht een reeks functionele neuronale typen aan het licht, waarvan het gecombineerde werk lijkt op de hersenen van een embryo in het tweede trimester.
Met andere woorden, hersenballen zijn ideale kandidaten om de ontwikkeling van de hersenen te bestuderen. Sinds hun oprichting zijn ze gebruikt om autisme en schizofrenie na te bootsen en om de effecten van het Zika-virus op de foetale hersenen te bestuderen.
En nu, dankzij Paabo, zullen ze toepassingen vinden in de paleontologie.
Heropleving van de Neanderthalers
Om het volledige Neanderthaler-genoom te herstellen, zouden wetenschappers een miljoen genen moeten veranderen. Dit ambitieuze doel is momenteel niet mogelijk, zelfs niet met geavanceerde tools voor genoombewerking, zoals CRISPR.
In plaats van alle Neanderthaler varianten grofweg in menselijke stamcellen te veranderen, pakt Paabo een meer subtiele benadering aan: hij introduceert slechts drie sleutelgenen die verschillen bij mensen en Neanderthalers, en volgt vervolgens de effecten van die genen op de ontwikkeling van de hersenen.
Dit is een beproefde methode.
In samenwerking met Wieland Hattner, een neurowetenschapper aan het Max Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica, kweekte het team enkele jaren geleden hersenorganellen met behulp van leukocyten van mensen en andere primaten. De hersendruppels zijn in de loop van een aantal weken geëvolueerd, waardoor wetenschappers kunnen vergelijken en contrasteren hoe celgroei verschilt tussen soorten. Met behulp van levende microscopie hebben wetenschappers ontdekt dat menselijke cellen anderhalf keer langer worden dan apen om hun chromosomen op één lijn te brengen voordat ze zich in dochtercellen verdelen. En deze verlenging helpt mensen op de een of andere manier veel meer neurale stamcellen te genereren dan onze naaste primatenverwanten.
Paabo hoopt meer van deze opvallende verschillen in Neanderthaler minibreinen te vinden, aangezien ze zouden kunnen verklaren waarom de moderne mens als soort heeft overwonnen.
"Het beste resultaat zou zijn dat de genetische veranderingen leiden tot een langere of meer vertakte neuronale groei", zegt hij. "Je zou kunnen zeggen dat dit de biologische basis is waarom onze hersenen anders functioneren."
Dit is tenslotte slechts het begin van de studie van de uniciteit van de mens, die nu pas mogelijk is geworden.
Ilya Khel
