Mammutten var en meget stor elefantart, der levede i Nordeuropa, Asien og Amerika frem til sidste istid. (FOTO: Statens Naturhistoriske Museum)

Det er lykkedes for et internationalt team af forskere, heriblandt Roy Weber, biolog fra Aarhus Universitet, at genskabe hæmoglobin fra den uddøde art uldhåret mammut. Ud fra dna konserveret i knogler fra mammutter, som levede for 43.000 år siden i Sibirien, har forskerne lavet nye hæmoglobinmolekyler med samme egenskaber som mammuttens. Dermed har de kunnet undersøge egenskaber ved mammuttens blod, præcis som havde de kunnet tage en blodprøve fra en levende mammut. Resultaterne er slående: det viser sig nemlig, at mammutten til forskel fra dens nære nulevende slægtninge, den afrikanske og den indiske elefant, havde udviklet en særlig evne til at tåle at have ’kolde fødder’ og dermed spare på varmen.

03.05.2010 | Christina Troelsen

”Det er en bemærkelsesværdig bedrift at være i stand til at ’genoplive’ et komplekst fuldt funktionelt protein som hæmoglobin fra et uddødt dyr – og så at kunne opdage funktionelle ændringer, som ikke findes i noget levende pattedyr” siger professor Roy E. Weber, Biologisk Institut, Aarhus Universitet. Han er en af forskerne bag de bemærkelsesværdige resultater, som offentliggøres i dag i det ansete tidsskrift Nature Genetics. Hæmoglobin er det røde protein i blodet, som binder ilt, og forskernes undersøgelser viser, at der hos den uldhårede mammut var specifikke ændringer i proteinets struktur og iltbinding, som tillod den at have kolde ekstremiteter, dvs ’kolde fødder’ og andre udsatte kropsoverflader, uden at det påvirkede deres iltforsyning til musklerne og deres funktionsevne.

Det tog sin tid at nå til resultaterne. På trods af, at den uldhårede mammuts udvikling fra dens elefantlignende forfædre, og dens udvandring fra tropisk Afrika til det strenge arktiske klima, er veldokumenteret ud fra utallige fund af fossiler, har man hidtil nærmest intet vist om de biokemiske tilpasninger – som jo ikke ’fossilerer’ på samme måde. ”Men hvorfor lade det holde os tilbage?” spurgte Kevin Campbell, da han var postdoc for ni år siden i Roy Webers laboratorium.

Som teamleder gik Kevin Campbell (nu professor ved University of Manitoba i Canada) i gang med at samle et internationalt team med det specifikke formål at ’genskabe’ ægte mammut hæmoglobin og at bestemme dets struktur og funktionelle egenskaber.
 
I artiklen som publiceres i dag i Nature Genetics beskriver holdet, hvordan de gener, som koder for hæmoglobin fra tre uddøde sibiriske mammutter, blev sekventeret af professor Alan Cooper (fra Australian Centre for Ancient DNA i Adelaide). Disse sekvenser blev derefter konverteret til RNA og indført i colibakterier, som ’lydigt’ gik i gang med at producere ægte mammut hæmoglobin.
 
De hæmoglobinmolekyler, som blev ’høstet’, er de samme, som man ville få ved ”at gå tilbage i tiden og tage en blodprøve fra en levende mammut” siger Kevin Campbell. Forskere fra adskillige laboratorier i verden anvendte derefter et arsenal af moderne metoder til at afdække de biokemiske egenskaber, som ligger til grund for mammuttens kuldetolerance.

Roy Weber, som udførte de fysiologiske målinger på de genskabte proteiner, viste, hvordan hæmoglobinet har gjort mammutten i stand til at overleve ekstrem kulde. Specifikt fandt han, at tre højst usædvanlige ændringer i hæmoglobinets struktur gjorde det muligt for mammuttens blod at aflevere ilt til cellerne ved lave temperaturer. Dette indikerer en naturlig tilpasning til det strenge arktiske klima ved at tillade kolde ekstremiteter, hvilket kraftigt formindsker varmetabet.

Fysiologiske og biokemiske undersøgelser af uddøde dyr udgør et nyt forskningsområde, som kaldes ’palæobiologi’. ”Dette nye område åbner spændende muligheder for at undersøge den evolutionære oprindelse af miljø- og klimatilpasninger hos dyr og mennesker” siger Roy Weber.

^{Uldhåret mammut. Tegning af George Rinaldino Teichman.}

Faglig uddybning

Mammutterne og de nulevende elefanter havde en fælles forfader for ca. 7 millioner år siden, men mammutterne tilpassede sig gradvist koldere egne og invaderede arktiske områder for omkring 1,2-2 millioner år siden. DNA isoleret fra en 43.000 år gammel sibirisk uldhåret mammut viser, at mammuttens hæmoglobin kun adskiller sig lidt fra afrikanske og indiske elefanter, men til gengæld på nogle afgørende punkter i relation til deres levevis.

Fig. a)
 
Hæmoglobinets ß-subenhed udviser tre aminosyreudskiftninger i forhold til den indiske elefant: Thr ->Ala, Ala->Ser og Glu->Gln, ved hhv. position 12, 86 og 101. Som det ses (Fig. a) viser molekylær modulering og sammenligning med abnorme humane hæmoglobiner, at disse udskiftninger hver især medfører grundlæggende ændringer i hæmoglobinets (og dermed blodets) funktionelle egenskaber. Dette passer med målinger af iltbindingsevnen ved genskabt mammut hæmoglobin.


Fig. b)

 
Udskiftningen ved position 101 øger hæmoglobinets iltaffinitet (tilbøjelighed til at binde ilt), og flytter dermed ligevægtskurven til venstre. Udskiftningerne ved position 12 og 86 danner ekstra bindingssteder for de ’allosteriske’ kofaktorer, kloridioner og den organiske fosfat BPG (bisphoshoglycerat). Dette nedsætter stærkt hæmoglobinets iltaffinitet i de røde blodceller og flytter iltbindingskurven til højre, således at den igen overlapper elefantens.

Hvorfor udviser mammutten så netop disse ændringer i hæmoglobinet? Det hænger sammen med, at frigivelsen af ilt fra hæmoglobinmolekylerne i kroppens organer involverer optagelse af varme. Dette er årsagen til, at blodets iltbindingsevne falder, når temperaturen stiger – hvilket normalt er fordelagtigt, idet det øger frigivelsen af ilt til varme muskler, som forbruger mere ilt. Bagsiden af denne effekt er, at iltbindingsevnen øges ved afkøling, hvorved iltfrigivelsen mindskes, når blodet løber igennem fx kolde ben. Udover at de aminosyreudskiftninger som er fundet sted hos mammutten nedsætter hæmoglobinets iltaffinitet (øger iltafladningen) igennem en forøget binding af kofaktorer, så frigive binding af disse kofaktorer varme, hvorved de reducerer den samlede iltbindingsvarme, og mindsker temperatureffekten. Derved tillader disse molekylære tilpasninger opretholdelse af lave temperaturer i mammuttens ben og ekstremiteter uden en væsentlig formindskelse af ilttransporten – hvilket betyder en kraftig begrænsning af varmetabet, og har været afgørende for mammuttens evne til at kolonisere de ekstremt kolde arktiske områder.

Forskningsprojektet

Projektet blev udført i et integreret samarbejde mellem mange forskere. Udover Kevin Campbell (Biological Sciences, University of Manitoba, Winnipeg, Canada), som koordinerede projektet, Alan Cooper (Australian Centre for Ancient DNA, University of Adelaide, Australien), som analyserede sekvenser for mammuttens hæmoglobin, og Roy E. Weber (Zoofysiologi, Biologisk Institut, Aarhus Universitet), som karakteriserede hæmoglobinets funktionelle egenskaber, bidrog forskere fra Yokoyama (Japan), Winnipeg (Canada), Leipzig (Tyskland), Pittsburg (USA) og York (England) til fremstilling og analyse af hæmoglobinet. 
 

Yderligere oplysninger:

Professor Roy E. Weber
Zoofysiologi, Biologisk Institut
Det Naturvidenskabelige Fakultet
Aarhus Universitet
Tlf. 8942 2599
Mobil: 2815 4833
Email: roy.weber@biology.au.dk