Imagine a parallel universe that coexists in the same place as our universe, in the same space, at the same time. This universe is overcrowded with life forms. It is invisible and intangible like the finest layer of reality, which we cannot notice. But it is there, and it maintains the functionality of our everyday world. Without it, we just wouldn't exist. Now, would you be surprised if I told you that actually everything I said before is true? Because I'm about to tell you this. I'm talking about the world of microbes - a separate world, yet so deeply connected to us. And the story of this connection expands far away into the past. But thanks to modern science, we are now able to read this story like a history book. Ladies and gentlemen, I proudly present biomolecular archeology, the science behind this history book. And I am here to share with you what fascinating things we can try to manage with this powerful modern science. But let's start with the term itself: biomolecular archeology. It's not even easy to pronounce, not to mention to try to understand the essence of this phrase. There might not be a problem with the archeology part, right? We've all seen it in movies, we know what it is about, but what is "biomolecular" anyway? The first thing that comes to mind: it is something about biology and molecules. And this is actually correct. A biological molecule, or a biomolecule, is any molecule that is present in a living organism. Now, there are all sorts of molecules in your body, but undoubtedly, the most informative one is DNA. So, let's bring it back together. Biomolecular archeology enables us to study the DNA recovered from archeological samples. And not only native human DNA, which, of course, all by itself gives lots of study perspectives, but also the DNA of microbes that lived side by side with that human. This science is relatively young. About ten years ago, a massive breakthrough happened in genomic research technology. A method appeared which is called NGS, next generation sequencing, and this method significantly cuts time and costs of any genomic research. For example, have you ever heard about the Human Genome Project? It was quite a popular topic for science fiction some time ago. This project launched in 1990 with the goal to decrypt all genomic information in a human organism. At that time, with the technology of the time, it took ten years and three billion dollars to reach the goals of this project. With NGS, all of that can be done in just one day at the cost of 15,000 dollars. On the fertile soil of next generation sequencing arose biomolecular archeology because there is a great lot of genomic information to be analyzed and it just wouldn't be possible to manage such research with olden day technology. Now we are able to manage such research OK, "But why?" you could ask me. "What benefits can we get out of this information? What can we use it for?" The answer appears to be quite wide. Consider human health as a complex and dynamic system. Apart from genetically determined factors that are stored in our DNA, our health is severely influenced by many other factors, like our lifestyle, our diet, and our fellow microbes. One hundred trillion cells, one and 14 zeros, that's the approximate number of microorganisms in your body, ten times greater than the number of your own cells. Your microbial baggage occupies almost 2% of your body weight, that's about one and a half kilograms, approximately the weight of your liver. Or your brain. And all these are microbes. Just think about it for a second! Human microbiome, that's the modern term for all microbial communities inhabiting your body, has earned a close attention over the last decade. It seems that we are only beginning to discover the mysterious role that is given to microbes in the performance of our health. In 2007, the National Institutes of Health of the U.S. launched the Human Microbiome Project to finally study its relation to our health conditions. And since then, it has only become clearer that our notion about our fellow microbes is inexcusably poor. Francis Collins, the director of the National Institutes of Health, even compared the researchers involved in the project with the 15th century explorers discovering the outline of a new continent. It is now being suggested that a range of modern, widespread diseases, starting from obesity, Crohn's disease, other gastrointestinal problems to all sorts of allergies, autoimmune diseases, or maybe even cancer, may appear to be consequences of microbiome changes. But where do these changes come from? When did they first appear? What was the triggering factor? These are the questions we are trying to find answers to at the moment. This topic always triggers a memory of my first conscious experience with the microbial world around. My mother, like any attentive parent, tried her best to warn me against the invisible dangers of the world, and she told me a story that every time I do not wash hands before eating something, I become a reason of global microbial migration. (Laughter) An uncountable number of microbial families come together, pack their suitcases, their TVs, their favorite toys, and leave their houses forever to move to a new area which is thought to be my body. Now, I was a child with a very vivid imagination, and this story influenced me so much that I was obsessed with handwashing for a really long time. It actually took me years to overcome the thought that I'm doing something wrong when I initiate this microbial migration, and to understand finally that they are actually willing to come, they've got friends there waiting for them. I'm not trying to convince you not to ever wash your hands again, of course not. But let's try to be moderate with it. We lack this microbial diversity nowadays. And as we know from ecology, the most diverse systems are the most stable ones. This might be one of the reasons for our so-called diseases of civilization. And this is exactly the type of hypothesis for biomolecular archeology to deal with. It turns out that there is a unique archaeological material that so preciously stores the enormous amount of information related to ancient human microbiome, and this material is ancient dental plaque, thanks to the fact that oral cavity hygiene was not on the list of top priorities for humans of the past. Their oral microbiome has already been partly fossilized during their lifetime in the form of dental calculus, which, in turn, stays in soil as well preserved as the skeletons themselves. Sadly, we can't help these fellas anymore. But they can help us by providing unique and precious information about their microbes and their health, and maybe we will have a chance to help others in the future thanks to them. There is one more vast human health-related aspect where biomolecular archaeology takes its rightful place, and this field of research expands into the valley of ancient deadly pathogens. It is true that the vast majority of microbes either provide us some kind of benefit or do not really care whether there is a human around. But there are some ancient deadly microbes that still remain an urgent problem nowadays all around the world. For example, Mycobacterium tuberculosis. One and a half million deaths in 2014. And OK, OK, I know, the first reaction I always get is like, "Wait, aren't there antibiotics?" or "I heard there is even a vaccine; is this disease still dangerous to us after all?" The answer is yes; tuberculosis is closer than you think. Because of some mysterious genetic phenomenon, there are people that can carry around this microbe their entire lives without developing any symptoms, and there are people that develop symptoms straight ahead after infection. Let me give you a real example of a tuberculosis microepidemic. Let's say a person somehow got infected. He works as a teacher in a junior school. Half a year later, one of his pupils develops symptoms. A few months later, the older sister of the pupil. A few more months later, two friends of the sister. This is how it spreads. When I was just starting my research on this topic, I myself was very surprised to know that tuberculosis worldwide remains one of the major health concerns, that on the list of infectious diseases, it is the second most common death cause after HIV. Yes, the fight continues. Did you know we have a tuberculosis clinic right here in Latvia, just outside Riga, where many doctors and other specialists fight tuberculosis on a daily basis? To finally beat this harmful bacteria, it is crucial to understand how it evolved, how it developed resistance to antibiotics, how it spread. And these are the questions where biomolecular archaeology can help us a lot. At the moment, working in the Latvian Biomedical Research and Study Centre, we have managed to identify Mycobacterium tuberculosis in one archaeological sample from the 17th century. We are now in the process of defining its whole genome, so we can understand what type of tuberculosis reigned at that time over the Latvian territories and where it came from. Obviously, biomolecular archaeology impacts humanities as well, such as history and anthropology. These, for example, are the excavations on the Saint Ģertrūdes Cemetery a few years ago. They started very spontaneously. There was an idea to build a shopping center in that area, and there was also information that there might be some medieval burial sites. So the Latvian Institute of History received a request to check it out. And they did actually find a medieval burial site, quite a massive one. Our archaeologists dug out over 500 skeletons, and found 2,000 more skeletons buried separately in a giant wooden box. But what was it? This couldn't be war because the skeletons lacked war lesions on their bones. Was it hunger? Epidemic? Archaeology itself cannot take this research any further, we have to intervene with biomolecular methods. Only then can we trace the true reason. The research process that implements the goals of the science is fascinating, even by itself. It all starts with ancient bones and teeth from cemeteries all around Latvia. We then cut out small pieces of these bones and shred them in special scientific mills to get bone powder. We then extract all the DNA that is captured in a specific bone powder sample, and then we sequence it. Sequencing is the process where the machine reads the DNA code and translates it into a four-letter code. By the way, it is absolutely fascinating how all genetic information of human beings and all other living creatures on the planet Earth can be written down using the alphabet containing four letters only. It's absolutely not surprising that the result of the sequencing is absolutely unreadable - gigabytes of text consisting of these four letters. It then takes time and effort to analyze these data with a variety of computational methods and programming approaches. And at the very end, we get a pretty readable list of all the microorganisms from a specific sample. The field of my research contains three sciences at once: archaeology, biology and computer science, all mixed, merged and connected. It's like the science itself merging and connecting humanity throughout centuries. Science is like a pyramid: you cannot lay the upper block without a foundation of the blocks beneath. And building this pyramid of healthcare throughout the entire human civilization, I believe biomolecular archaeology just opened up a new frontier for us. Where do we go from here? It's a question of choice, but I believe that any destination holds fascinating discoveries. But just for now, please remember that you are never alone. (Laughter) You've got a hundred trillion friends that are always there for you. Think about it next time you want to wash your hands. Thank you. (Applause)
Imaginen un universo paralelo que coexiste con el nuestro, en el mismo espacio, en el mismo tiempo. Este universo está lleno de formas de vida. Es invisible e intangible como la capa más fina de la realidad, que no podemos ver. Pero está ahí, y mantiene el fucionamiento de nuestro mundo. Sin él, no existiríamos. ¿Les sorprendería si les dijera que todo lo que acabo de decir es verdad? Porque les voy a decir una cosa; estoy hablando del mundo de los microbios. Un mundo separado, pero a la vez tan conectado con el nuestro. Y la historia de esta conexión se remonta a mucho tiempo atrás. Pero gracias a la ciencia moderna, ahora podemos leerla como en un libro de historia. Damas y caballeros, me llena de orgullo presentarles la arqueología biomolecular, la ciencia que hay detrás de ese libro. Y estoy aquí para compartir con Uds. las cosas tan fascinantes que podemos conseguir con esta ciencia moderna tan potente. Pero empecemos con el término: arqueología molecular. No es ni siquiera fácil de decir, por no hablar de intentar entender la esencia de esas palabras. Puede que no haya demasiados problemas con la palabra arqueología, ¿Verdad? La conocemos por las películas, sabemos de qué va, pero ¿Qué significa "biomolecular"? La primera idea que se nos ocurre es que tiene que ver con la biología y las moléculas. Y de hecho eso es correcto. Una molécula biológica, una biomolécula, es cualquier molécula presente en un organismo vivo. Hay moléculas de todo tipo en nuestro cuerpo, pero la que contiene más información, sin duda, es el ADN. Pongámoslo todo junto. La arqueología molecular nos permite estudiar el ADN recuperado de muestras arqueológicas. Y no solamente el ADN humano, que, por supuesto, por sí solo ofrece grandes perspectivas de estudio, sino también el ADN de los microbios que convivieron con ese humano. Esta ciencia es relativamente joven. Hace unos diez años, se hizo un gran descubrimiento tecnológico en la investigación genómica. Se desarrolló un método llamado secuenciación de nueva generación, NGS, y este método reduce el tiempo y el coste de la investigación genómica. Por ejemplo, ¿han oído hablar del Proyecto Genoma Humano? Fue un tema popular en la ciencia ficción hace unos años. El proyecto empezó en 1990 con la intención de descifrar toda la información genómica en el cuerpo humano. Con la tecnología de aquella época, se necesitaron diez años y tres mil millones de dólares para alcanzar los objetivos del proyecto. Con NGS, se podría hacer en un solo día, con un coste de quince mil dólares. De la secuenciación de nueva generación surgió la arqueología biomolecular porque hay mucha información genómica que aún no se ha analizado y sería totalmente imposible dirigir una investigación como esa con tecnología anticuada. Ahora podemos hacerlo bien, pero ¿Por qué?, podrían preguntarme. "¿Qué beneficio podemos sacar de esta información? ¿Para qué la podemos usar?" La respuesta es bastante amplia. Considerad la salud humana como un sistema complejo y dinámico. Aparte de unos factores en nuestro ADN, determinados genéticamente, muchos otros factores influyen profundamente en nuestra salud, como el estilo de vida, la dieta, y nuestros compañeros los microbios. Cien billones de células, es el número aproximado de microorganismos en su cuerpo, diez veces mayor que el número de ses propias células. Su carga microbiana supone casi el 2 % de vuestro peso corporal, más o menos un kilo y medio, aproximadamente el peso de sus hígados, o de sus cerebros. Y todo esto son microbios. ¡Pienselo por un momento! Microbioma humano es el término moderno para las comunidades microbianas que viven en nuestro cuerpo. En la última década se le ha prestado especial atención. Parece que estamos empezando a descubrir el papel que juegan los microbios en nuestra salud. En 2007, el Instituto Nacional de Salud de los EE.UU. presentó el Proyecto Microbioma Humano para estudiar su relación con las enfermedades. Y desde entonces, ha quedado claro que nuestro conocimiento sobre nuestros compañeros los microbios es inexcusablemente mediocre. Francis Collins, el director del Instituto Nacional de Salud comparó a los investigadores del proyecto con los exploradores del siglo XV descubriendo el perfil de un nuevo continente. En la actualidad se insinúa que ciertas enfermedades modernas y extendidas, desde la obesidad, la enfermedad de Crohn y otros trastornos gastrointestinales hasta todo tipo de alergias, las enfermedades autoinmunes, o incluso el cáncer, podrían ser consecuencia de cambios en el microbioma. Pero, ¿De dónde vienen esos cambios? ¿Dónde aparecieron por primera vez? ¿Cuál fue el factor desencadenante? Estas son las cuestiones que estamos intentando resolver. Este tema siempre me recuerda mi primera experiencia conciente con los microbios de mi entorno. Como toda madre considerada, mi madre intentó advertirme de los peligros del mundo que no podemos ver, Y me contó una historia: Cada vez que no me lavaba las manos antes de comer, provocaba una migración microbiana global. (Risas) Un número incontable de familias de microbios se reúnen, hacen la maleta, se llevan la TV, los juguetes, y dejan sus casas para siempre para mudarse a una nueva zona que se supone que es mi cuerpo. Yo era una niña con una gran imaginación, y esta historia me impresionó tanto que me obsesioné con el lavado de manos durante mucho tiempo. De hecho tardé años en superar la idea de que estoy haciendo algo mal cuando inicio esta migración microbiana, y en entender que, de hecho, están dispuestos a venir, tienen amigos esperándoles. No voy a intentar convencerlos de que no se laven más las manos, por supuesto que no. Pero intentemos ser más moderados. Hoy en día nos falta esa diversidad microbiana. Y como la ecología nos ha enseñado los sistemas más diversos son los más estables. Puede que esta sea una de las razones para las que llamamos enfermedades de la civilización. Y este es el tipo de hipótesis que la biología molecular estudia. Sucede que hay un tipo único de material arqueológico que alberga esta gran cantidad de información relacionada con el más antiguo microbioma humano, y este material es la placa dental, gracias a que la higiene oral no estaba en la lista de prioridades de los humanos en el pasado. Su microbioma oral ya se había fosilizado parcialmente durante su vida en forma de sarro, y se mantiene en la tierra tan bien conservado como los huesos. Desgraciadamente, ya no podemos ayudar a estas personas, pero ellos nos pueden ayudar a nosotros dándonos información única y valiosa sobre sus microbios y su salud, y quizás podamos ayudar a otros en el futuro gracias a ellos. Existe otro gran aspecto relacionado con la salud humana donde la arqueología biomolecular toma su lugar legítimo, y este campo de investigación se extiende hacia el valle de los antiguos patógenos letales. Es verdad que la gran mayoría de los microbios nos aportan algún beneficio o no les importa demasiado si hay un humano cerca. Pero hay algunos patógenos antiguos y letales que aún suponen un problema urgente en el mundo, en la actualidad. Por ejemplo, el Mycobacterium tuberculosis. Un millón y medio de muertes en 2014. Y vale, lo sé la primera reacción que siempre veo es: "¿Pero no hay antibióticos?" o "He oído que hay incluso una vacuna. ¿Esta enfermedad todavía supone un peligro para nosotros?" La respuesta es sí, la tuberculosis está más cerca de lo que creen. Debido a algún fenómeno genético que no conocemos hay personas que portan el microbio durante toda su vida sin desarrollar síntomas, y hay personas que desarrollan síntomas ni bien han contraído la infección. Voy a darles un ejemplo real de una microepidemia de tuberculosis. Digamos que una persona de alguna manera se infecta. Trabaja como profesor en un colegio. Seis meses después, uno de sus alumnos tiene síntomas, unos meses después, la hermana mayor del alumno, y unos cuantos meses después, dos amigos de la hermana. Así es como se propaga. Cuando empecé a investigar sobre este tema, yo misma me sorprendí al saber que la tuberculosis es, a nivel mundial, uno de los mayores problemas de salud. En la lista de enfermedades infecciosas es la segunda causa de muerte más frecuente, por detrás del VIH. Sí, la lucha continúa. ¿Sabían que tenemos una consulta de tuberculosis a las afueras de Riga, donde médicos y otros especialistas luchan contra la tuberculosis a diario? Para derrotar definitivamente esta bacteria tan dañina, es necesario entender cómo evolucionó, cómo se volvió resistente a los antibióticos, cómo se propaga. Y estas son las preguntas con las que la arqueología molecular nos puede ayudar mucho. Por ahora, trabajando en el Centro de Investigación y Estudio Biomédico Letón hemos logrado identificar el Mycobacterium tuberculosis en una muestra arqueológica del siglo XVII. Estamos en el proceso de definir su genoma por completo, para poder entender qué tipo de tuberculosis existía en aquella época en Letonia y de dónde vino. Obviamente, la arqueología molecular afecta a especialidades no científicas como son la historia y la antropología. Estas, por ejemplo, son las excavaciones del cementerio de Saint Gertrüdes hace unos años. Empezaron de forma espontánea. Había un proyecto para construir en esa zona un centro comercial, y también existía información de que allí podría haber zonas de entierro medievales. El Instituto Letón de Historia recibió una solicitud para comprobarlo. Y de hecho encontraron una zona de entierro medieval, una zona enorme. Nuestros arqueólogos desenterraron unos quinientos esqueletos, y encontraron dos mil esqueletos más enterrados en una enorme caja de madera. ¿Y eso qué era? No pudo ser por una guerra porque los huesos no tenían las lesiones típicas ¿Fue la hambruna? ¿Una epidemia? La arqueología por sí misma no puede llegar más lejos, tenemos que intervenir con métodos biomoleculares. Sólo entonces podremos hallar la causa. El proceso de investigación que implementa los objetivos de la ciencia es fascinante por sí mismo. Empezamos con huesos y dientes antiguos de cementerios de Letonia. Luego cortamos pequeños trozos de esos huesos y los molemos en un molinillo para obtener polvo de hueso. Entonces extraemos todo el ADN de una muestra concreta de polvo de hueso y luego lo secuenciamos. La secuenciación es el proceso mediante el cual la máquina lee el ADN y lo traduce a un código de cuatro letras. Por cierto, es fascinante cómo toda la información de los seres humanos y de todos los demás seres vivos del planeta Tierra se puede escribir usando el alfabeto, solamente usando cuatro letras. No nos sorprende que el resultado de la secuenciación sea ilegible, gigabytes de texto formado por esas cuatro letras. Analizar esta información lleva tiempo y esfuerzo con distintos métodos computacionales y estrategias de programación. Y al final, conseguimos una lista bastante legible de todos los microorganismos de una muestra concreta. Mi campo de investigación une tres ciencias: la arqueología, la biología y la informática, unidas y conectadas. Es como la ciencia en sí misma uniendo y conectando la humanidad a lo largo de los siglos. La ciencia es como una pirámide: no pueden seguir construyendo sin unos buenos cimientos debajo. Construir una pirámide de salud pública a lo largo de toda la civilización. Yo creo que la biología molecular ha abierto una nueva frontera. ¿Hacia dónde vamos desde aquí? Es cuestión de elegir, pero yo creo que cualquier destino alberga descubrimientos fascinantes. Y mientras tanto, recuerden que no están solos. (Risas) Que tienen cien billones de amigos que siempre están ahí para Uds. Piénselo la próxima vez que vayan a lavarse las manos. Gracias (Aplausos)