I skjelettene til ofre for tidligere tiders pestepidemier leter forskerne etter rester av gamle pestbakterier. (Foto: Elsa Pacciani)
I skjelettene til ofre for tidligere tiders pestepidemier leter forskerne etter rester av gamle pestbakterier. (Foto: Elsa Pacciani)

DNA-rester kan varsle ny svartedaud

Rester av arvestoffet til pestbakterier er funnet i flere tusen omkomne fra svartedauden og de store pestepidemiene på slutten av jernalderen. DNA-analysene kan forutsi neste pestutbrudd.

Publisert

Biologer ved Universitetet i Oslo tar nå et krafttak for å finne sammenhengen mellom klimaendringer, rotteplagene og de mange voldsomme pestepidemiene gjennom historien. Kunnskapen kan brukes til å anslå når neste pestutbrudd kommer.

For pest er ikke bare noe som hørte middelalderen til. Årlig smittes vel 2000 mennesker av pest, de fleste på Madagaskar og i Kongo. Utenom Afrika finnes pest i ørkenen i Nord-Amerika og i store områder i Sentral-Asia, i et bredt belte fra Georgia via Kasakhstan til Kina.

I vår tidsregning er verden rammet av tre store og mange små pestepidemier. Den første store pandemien var den justinianske pesten på slutten av jernalderen. Den brøt ut på 500-tallet og varte i 200 år. Det neste ragnaroket var svartedauden på 1300-tallet, en pandemi som kom i stadig nye bølger og varte i 400 år.

Den tredje epidemien, som startet på slutten av 1800-tallet i Kina og nådde resten av verden via Hong Kong, varer fortsatt. I sommer døde en mann av pest i byen Yumen i den nordlige delen av Kina. 30 000 innbyggere ble isolert da deler av byen ble sperret av.

I november gikk pestalarmen på Madagaskar, både i provinsen og i hovedstaden Antananarivo.

Evolusjonen til pestbakterier

Nils Chr. Stenseth (t.v.) og Kjetill S. Jakobsen åpner nå, i samarbeid Naturhistorisk og Kulturhistorisk museum, et helt nytt DNA-laboratorium som skal gjøre det enklere å analysere DNA-rester fra dødt materiale. (Foto: Ola Sæther, UiO)
Nils Chr. Stenseth (t.v.) og Kjetill S. Jakobsen åpner nå, i samarbeid Naturhistorisk og Kulturhistorisk museum, et helt nytt DNA-laboratorium som skal gjøre det enklere å analysere DNA-rester fra dødt materiale. (Foto: Ola Sæther, UiO)

Det store spørsmålet er hvor pestbakterien stammer fra, om de tre pestene skyldes den samme bakterien og hvordan pestbakterien overlevde mellom utbruddene.

Noen mener at pestene i slutten av jernalderen og i middelalderen var to forskjellige sykdommer, men flere studier viser at det var den samme sykdommen.

– Overgangene mellom de tre pestbølgene er ikke helt klare. Det var dessuten overlapping mellom den andre og den tredje bølgen. Pest kan være helt borte i flere tiår og så plutselig komme tilbake, forteller professor Kjetill S. Jakobsen på Senter for økologisk og evolusjonær syntese (CEES) ved Universitetet i Oslo (UiO).

Spørsmålet er under hvilke omstendigheter pesten blir pandemisk og hva som bestemmer hvor alvorlig epidemien blir.

– Det er fristende å spekulere på om økologien der pandemiene startet, har spilt en rolle for hvor ødeleggende de var. Ved å se på sammenhengen mellom klimatiske forhold og pestdynamikk, kan vi forstå de alvorlige pandemiene, både i fortid, nåtid og fremtid, forteller professor Nils Chr. Stenseth, leder av CEES-senteret.

Sjekker gamle skjeletter

Forståelsen av de tre pestpandemiene er blitt svært mye bedre de siste årene fordi forskerne nå kan bruke moderne, molekylære metoder. Det gjør det mulig å analysere DNA-rester av pestbakterier fra dem som døde av sykdommen.

Den italienske forskeren Barbari Bramanti på CEES studerer den evolusjonære utviklingen av pestbakteriene og sammenligner den genetiske koden til pestbakteriene i de første to pandemiene.

Barbara Bramanti leter etter rester av gamle pestbakterier i et pestoffer fra Firenze, som døde under den justinianske pesten. (Foto: Elsa Pacciani)
Barbara Bramanti leter etter rester av gamle pestbakterier i et pestoffer fra Firenze, som døde under den justinianske pesten. (Foto: Elsa Pacciani)

Svaret finner hun i tennene på gamle skjeletter.

Lymfeknutene til dem som ble rammet av pest, hovnet opp og ble til svarte byller. Her formerte bakteriene seg. Hos mange av ofrene havnet pestbakteriene i blodet og dermed i blodmargen i tennene.

I samarbeid med arkeologer samler Bramanti nå inn DNA-prøver fra tenner til 2700 pestofre fra Europa og Asia. Hun skal også sjekke tennene til norske ofre.

Hun borer noen millimeter inn i tennene og trekker ut hele DNA-innholdet fra blodmargen.

– DNA-restene er ofte fragmentert og ødelagt. Det er derfor en stor jobb å rekonstruere arvestoffet, sier Bramanti.

Institutt for biovitenskap ved UiO åpner nå et helt nytt DNA-laboratorium som skal gjøre det enklere å analysere DNA-rester fra dødt materiale.

– Her vil det være mulig å analysere selv små mengder dødt DNA, forteller Bramanti.

Såfremt kvaliteten på arvematerialet er god nok, skal hun sammenligne det med referansegenomet til pestbakterien.

– Poenget vårt er å se på både evolusjonen og økologien til pestbakterien, sier Bramanti.

Rottesjekken

Det er usikkert hvordan svartedauden ble spredt. Svartrotter og brunrotter spredte smitte i den tredje pestbølgen. Selv om det ennå ikke finnes bevis for at ørkenrotter var smittespredere, viser det seg at ørkenrotten tåler smitten overraskende bra.

Pernille Nilsson undersøker genetisk hvorfor ørkenrottene i Kina tåler en absurd mengde pestbakterier. (Foto: Ola Sæther, UiO)
Pernille Nilsson undersøker genetisk hvorfor ørkenrottene i Kina tåler en absurd mengde pestbakterier. (Foto: Ola Sæther, UiO)

– De individuelle forskjellene er store, men mange individer tåler en absurd mengde med pestbakterier, forteller stipendiat Pernille Nilsson på CEES. Hun har undersøkt hvor mye ørkenrottene tåler.

Testen ble utført i et pestlaboratorium i Kina, ikke langt fra Yumen, som ble rammet av pest i fjor sommer. Forskerne sprøytet inn så mye pestbakterier i rottene at nesten halvparten døde. Da kunne de sammenligne genomet til de individene som overlevde, med genomet til dem som døde.

Nilsson leter med andre ord etter den genetiske forklaringen på hvorfor ørkenrotten har et så godt immunforsvar mot pestbakterien.

– Noen ganger dreper en enkelt bakterie en mus. Vanlige rotter tåler en innsprøytning på 10 000 bakterier. Ørkenrottene tåler 100 milliarder bakterier. Det er ti millioner ganger flere bakterier, påpeker Nilsson.

For å få en best mulig DNA-analyse av den enkelte ørkenrotten, er hun også nødt til å sammenligne den med det fullsekvenserte genomet til arten ørkenrotte. Arbeidet med å finne det fullsekvenserte genomet er formidabelt.

Det tok ti år å finne det humane genomet. Da forskergruppen til Jakobsen fant torskens genom, tok selve DNA-sekvenseringen noen måneder, med et par år tungberegninger på DNA-dataene i etterkant.

Takket være dagens langt raskere laboratoriemaskiner og dataprogrammer, håper Nilsson å finne ørkenrottens fullsekvenserte genom på langt kortere tid. Inntil videre må hun forholde seg til det delsekvenserte genomet.

Kina har allerede ekstrahert og frysetørket DNA fra lever og milt hos tre ulike ørkenrotteindivider. UiO-forskere sjekket så kvaliteten på DNA-et før de bestemte seg for hvilket individ referansegenomet skulle hentes fra.

Genomet til ørkenrotten består av 2,4 milliarder basepar. Når genomet sekvenseres er det bare mulig å avlese hundre basepar om gangen. For å vite hvor i genomet de små genbitene finnes, må forskerne avlese dem en mengde ganger og kjøre enorme, statistiske beregninger for å kunne sette dem sammen i rett rekkefølge.

Og hver gang de skal sammenligne genomet fra ett enkelt rotteindivid med det fullsekvenserte rottegenomet, trenger forskerne en uke på universitetets tungregnemaskin.

– Vi må finne de områdene i genomet som er en naturlig variasjon blant individer og de områdene i genomet som viser de spesifikke forskjellene mellom de rottene som overlever og dem som dør. Disse områdene i genomet er ennå ikke funnet, forteller Nilsson.

Forskerne har en idé om at beskyttelsen mot pest er relatert til et medfødt immunforsvar og at dette er arvelig.

– Akkurat hva det er, vet vi ikke ennå. Vi er på «genomisk fisketur» og vet ikke presist hva vi vil finne. Vi har likevel noen ideer om hvilke deler av immunforsvaret som kan være involvert.

CEES-forskerne oppdaget for noen år siden at torsken har et helt annet immunforsvar enn alle andre dyr.

– Det kan hende vi også får noen overraskelser om ørkenrottens immunforsvar, sier Nilsson.

Sammenheng med klima

Den nederlandske forskeren Boris Schmid på CEES undersøker sammenhengen mellom klimavariasjoner, bestanden av gnagere og pestutbrudd. Han kombinerer historiske tidsserier med pestdata hos mennesker og sammenhengen mellom klimaendringer og pestsyke gnagere.

Kina har dessuten tatt DNA-sekvenser av pestbakterien i 20–30 år. Det er da mulig å se hvordan pestbakterien evolusjonært har utviklet seg i løpet av denne tiden.

– Disse dataene gir oss en idé om hvordan pest og klima henger sammen, og de er viktige for å kunne forutsi neste pestutbrudd, forteller Schmid.