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)
Képzeljenek el egy párhuzamos univerzumot, amely a mi univerzumunkkal egyszerre van jelen, azonos helyen, azonos térben, azonos időben. Ez az univerzum dúskál a különböző életformákban. Láthatatlan és megfoghatatlan, mint a valóság legvékonyabb rétege, amit nem érzékelhetünk. De ott van, és fenntartja mindennapi világunk működését. Nélküle nem léteznénk. Mindezek után meglepődnének, ha kijelenteném: mindez, amit eddig elmondtam, igaz? Mert éppen erről fogok beszélni. A mikrobák világáról beszélek, amely külön világ, mégis szoros kapcsolatban áll velünk. E kapcsolat története a távoli múltba nyúlik vissza. De a modern tudománynak köszönhetően ma már úgy olvassuk ezt a történetet, akár egy történelemkönyvet. Hölgyeim és uraim, büszkén mutatom be önöknek a biomolekuláris régészetet, e történelemkönyv tudományos alapját. Célom, hogy megosszam önökkel, milyen lenyűgöző dolgokat próbálhatunk megoldani e hatékony, modern tudományággal. Kezdjük magával a kifejezéssel: biomolekuláris régészet. Még kiejteni sem könnyű, a kifejezés lényegének megértéséről nem is beszélve. A régészet szó aligha okoz nehézséget, igaz? Mindannyian láttuk már moziban, s tudjuk, mivel foglalkozik, de mit jelent a "biomolekuláris"? Az első dolog, ami eszünkbe juthat: a biológiával és a molekulákkal kapcsolatos valami. Ez így is van. A biológiai molekula, vagy biomolekula az élő szervezetben található bármely molekulát jelenti. Testünkben mindenféle molekula megtalálható, de kétségtelen, hogy a DNS a leginformatívabb. Tehát akkor rakjuk össze: A biomolekuláris régészet lehetővé teszi, hogy régészeti mintákból nyert DNS-t vizsgáljunk. Továbbá nem csupán az ember saját DNS-ét, amely természetesen önmaga is sok tudományos lehetőséget nyújt, hanem az adott emberrel együtt élő mikrobák DNS-ét is. Ez egy viszonylag fiatal tudományterület. Körülbelül tíz évvel ezelőtt forradalmi áttörés történt a genomkutatási technológiában. Megjelent az NGS, azaz "új generációs szekvenálás" nevű módszer, amely jelentősen csökkenti a genomkutatás költségeit és a vizsgálati időt. Pl. hallottak már a Humán Genom Projektről? Nem is olyan régen népszerű science fiction téma volt. A projektet 1990-ben indították útjára azzal a céllal, hogy megfejtsék az emberi genomban rejtőző összes információt. Abban az időben, az akkori technológiával tíz évbe és hárommilliárd dollárba került, hogy elérjék a projekt által kitűzött célokat. Az NGS-szel ugyanez egyetlen nap alatt 15 000 dollárból elkészül. Az új generációs szekvenálás termékeny talajából nőtt ki a biomolekuláris régészet, mivel hatalmas mennyiségű genomi információ elemzésére van szükség, és egyszerűen nem lennénk képesek elvégezni ilyen vizsgálatot a régi idők technológiáival. Most már képesek vagyunk elvégezni ilyen vizsgálatot, ez rendben van. "De miért?" – kérdezhetik. Milyen hasznos információkat nyerhetünk ki ebből? Mire használhatjuk?" A válasz eléggé általánosnak tűnik. Tekintsünk az egészségre komplex, dinamikus rendszerként. A DNS-ünkben tárolt, genetikailag meghatározott tényezőkön túl egészségünket sok más tényező is komolyan befolyásolja, pl. életvitelünk, étrendünk, és barátaink. a mikrobák. Százbillió sejt, vagyis az egyes után 14 darab nulla. Kb. ennyi mikroorganizmus él a testünkben, ami saját sejtjeink számának tízszerese. Testsúlyunk közel 2%-át teszi ki mikrobiális csomagunk, ez kb. másfél kilogramm, azaz nagyjából a májunk tömegével egyenlő. Vagy az agyunkéval. Mindez csak mikroba. Csak gondoljanak bele egy pillanatra! Emberi mikrobiom, ez a modern kifejezés a szervezetünkben található összes mikrobaközösségre, amely a múlt évtizedben különös figyelmet kapott. Úgy tűnik, csak most kezdjük felfedezni a mikrobák egészségünkben betöltött rejtélyes szerepét. 2007-ben az USA Nemzeti Egészségvédelmi Intézete (NIH) elindította a Humán Mikrobiom Projektet, hogy végre vizsgálhassuk a mikrobióm egészségi állapotunkkal való kapcsolatát. Azóta még világosabb, hogy társmikrobáinkról alkotott elképzeléseink elképesztően szegényesek. Francis Collins, a NIH igazgatója még a projektben résztvevő kutatókat is összehasonlította az új földrész partjait vizsgáló 15. századi felfedezőkkel. Jelenleg úgy tűnik, hogy számos mai, nagyon elterjedt kór, az elhízástól kezdve a Crohn- betegségen és más gyomor-bélrendszeri bajokon át a különféle allergiás, autoimmun vagy akár rákos megbetegedésekig a mikrobiom-változások hatására jelenhet meg. De honnan erednek e változások? Mikor jelentek meg először? Mi váltotta ki őket? Jelenleg e kérdésekre keressük a választ. A téma mindig fölidézi a köröttünk lévő mikrobavilággal kapcsolatos első tudatos élményemet. Édesanyám mint gondos szülő próbált mindent megtenni, hogy figyelmeztessen világunk láthatatlan veszélyeire, és elmesélt egy történetet. Minden egyes alkalommal, amikor nem mosok kezet evés előtt, világméretű mikrobaköltözést okozok. (Nevetés) Rengeteg mikrobacsalád jön össze, összepakolják bőröndjeiket, tévéiket, kedvenc játékaikat, és örökre elhagyják házukat, hogy új helyre, a testembe költözzenek. Élénk fantáziájú kisgyerek voltam, és a történet annyira hatott rám, hogy sokáig kényszeresen mostam kezet. Évekbe telt túltennem magam a gondolaton, hogy valami rosszat teszek, ha mikrobaköltözést kezdeményezek, és hogy végre megértsem: tűkön ülnek, hogy jöhessenek, mert barátjaik várják őket. Nem arról győzködöm önöket, hogy soha többé ne mossanak kezet. Természetesen nem. De próbáljunk visszafogottabbak lenni. Manapság hiányzik belőlünk a mikrobák változatossága, és mint ahogy ökológiából tudjuk, a legváltozatosabb rendszerek a legstabilabbak. Lehetséges, hogy ez az egyik oka az ún. civilizációs betegségeinknek. Pont ezzel a hipotézisfajtával foglalkozik a biomolekuláris régészet. Kiderült, hogy van egyetlen régészeti mintatípus, amely kitűnően megőrzi az ősi emberi mikrobiomra vonatkozó hatalmas mennyiségű információt. Ez a minta az ősi foglepedék, köszönhetően annak, hogy a szájhigiénia nem volt kiemelt fontosságú a múltban élt embereknek. Az orális mikrobiomjuk már életük során részben megkövült fogkő formájában, amely viszont a föld alatt a csontvázakhoz hasonlóan épségben marad. Sajnos, már nem tudunk ezeknek a srácoknak segíteni. Viszont ők segíthetnek nekünk egyedülálló és értékes információikkal mikrobáikról és egészségükről, és hála nekik, másokon talán segíthetünk a jövőben. Van az emberi egészséget illetően egy másik komoly szempont, ahol a biomolekuláris régészet a megfelelő helyet foglalja el, és ez a kutatási terület az ősi halálos kórokozók világába vezet. Bár igaz, hogy a mikrobák többsége valahogy előnyösen hat szervezetünkre, vagy fittyet hány rá, hogy egy ember "veszi körül", azonban van néhány ősi, halálos mikroba, amely máig sürgősen megoldandó problémát okoz az egész világon. Pl. a Mycobacterium tubercolosis. Másfél millió ember halálát okozta 2014-ben. Rendben, rendben. Tudom. Az első reakció erre mindig az: "Várjunk csak, nincsenek antibiotikumok?", vagy: "Úgy hallottam, még oltóanyag is van ellene; ez a betegség egyáltalán veszélyes még ránk nézve?" A válasz az, hogy igen. A tébécé közelebb van, mint gondolnánk, mivel valamilyen rejtélyes genetikai jelenség miatt egyesek egész életükben hordozzák a mikrobát anélkül, hogy bármilyen tünetük lenne, de mások a fertőzést követően azonnal tüneteket mutatnak. Valós példát hozok föl egy tébécé-mikrojárványról. Tegyük fel, hogy valaki valahogy megfertőződött. Ez a valaki tanárként dolgozik egy általános iskolában. Fél év múlva egy diákján tünetek jelennek meg. Néhány hónappal később a kisdiák nővére betegszik meg. Még néhány hónap, és a nővér két barátja is. Így terjed a tébécé. Amikor elkezdtem a témát kutatni, magam is meglepődtem, amikor megtudtam, hogy a tébécé még mindig az egyik legnagyobb egészségügyi világprobléma, és hogy a fertőző betegségek listáján a tébécé az AIDS utáni második leggyakoribb halálok. Igen, a harc folytatódik. Tudták, hogy itt, Lettországban, Riga mellett van egy tébécé-klinika, ahol sok orvos és más szakember nap mint nap küzd a tébécé ellen? Hogy végleg legyőzzük e káros baktériumot, nélkülözhetetlen, hogy megértsük, hogyan fejlődött, hogyan fejlesztett ki antibiotikum-rezisztenciát, és hogyan terjedt. E kérdésekben a biomolekuláris régészet sokat segíthet nekünk. Jelenleg a Lett Orvosbiológiai Kutatási és Oktatási Központban képesek voltunk azonosítani a Mycobacterium tubercolosist egy 17. századi régészeti mintából. Éppen zajlik a baktérium teljes genomjának meghatározása, hogy megérthessük, milyen típusú tébécé uralkodott akkortájt a lett területen, és honnan került ide. A biomolekuláris régészet nyilvánvalóan hat a humán tudományokra, pl. a történettudományra s az antropológiára is. Ez pl. a Szt. Ģertrūdes temetőben néhány éve végzett ásatás. Nagyon spontán módon indult. Bevásárlóközpontot terveztek a területre, és voltak olyan információk is, hogy középkori temetkezési helyek lehetnek ott. A Lett Történelmi Intézetet felkérték a vizsgálatokra, és valóban találtak egy elég nagy középkori temetőt. Régészeink 500 csontvázat ástak ki, és további 2 000 csontváz volt külön eltemetve egy hatalmas faládában. De mi lehetett ez? Nem lehetett háború, mert a csontokon nem voltak harci sérülések. Éhínség? Járvány? A régészet egyedül már nem jut többre, így biomolekuláris módszereket kell bevonnunk. Csak ezután tudjuk feltárni a valós okokat. A tudományos célú vizsgálati folyamat már önmagában is lenyűgöző. Lettországi temetőkből származó ősi csontokkal és fogakkal kezdődik az egész . Aztán apró részeket vágunk ki a csontokból, és laboratóriumi malmokban csontporrá őröljük őket. Ezután a csontpor-mintában lévő teljes DNS-tartalmat kivonjuk, majd megszekvenáljuk. A szekvenálás az a folyamat, amely során a műszer kiolvassa a DNS-kódot és négybetűs kódra fordítja le. Teljesen lenyűgöző, ahogyan emberi lények, és a Földön élő minden más teremtmény teljes genetikai információja csupán négy betűvel leírható. Egyáltalán nem meglepő, hogy a szekvenálás eredménye teljesen olvashatatlan; ez négy betű változataiból álló több gigabyte-nyi szöveg. Ezt követően időbe és energiába telik, hogy kielemezzük ezen adatokat változatos számítógépes és programozási módszerekkel, míg legvégül egy elég jól olvasható listát kapunk egy bizonyos mintában található összes mikroorganizmusról. A kutatási területem három tudományágat foglal magába: régészetet, biológiát és adattudományt, keveredve, egyesülve és összekapcsolódva. Olyan, mint a tudomány maga, amely egyesíti és összekapcsolja évszázadok emberiségét. A tudomány olyan, mint a piramis: nem rakhatjuk le a legfelső követ, az alapban lévő kövek hiányában. Az egészségügyi piramist a teljes emberi civilizáció során építve úgy hiszem, a biomolekuláris régészet most új, feltárandó területet nyitott. Ezután hova tovább? Ez választás kérdése, de hiszem, hogy bármelyik úti cél izgalmas felfedezéseket tartogat. De addig is emlékezzenek rá, hogy nincsenek egyedül. (Nevetés) Van százbillió barátjuk, akikre mindig számíthatnak. Jusson eszükbe legközelebb, ha kezet akarnak mosni. Köszönöm. (Taps)