Sediment där arkeologiska fynd är inbäddade har länge betraktats av de flesta arkeologer som oviktiga biprodukter från utgrävningar. Men på senare år har det visat sig att sediment kan innehålla uråldriga biomolekyler, inklusive DNA. "Hämtning av forntida mänskligt och faunat DNA från sediment erbjuder spännande nya möjligheter att undersöka den geografiska och tidsmässiga fördelningen av forntida människor och andra organismer på platser där deras skelettrester är sällsynta eller frånvarande", säger Matthias Meyer, senior författare till studien och forskare vid Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology i Leipzig.

För att undersöka ursprunget till DNA i sedimentet, gick Max Planck-forskare ihop med en internationell grupp geoarkeologer – arkeologer som tillämpar geologiska tekniker för att rekonstruera bildandet av sediment och platser – för att studera DNA-bevarande i sediment i mikroskopisk skala. De använde ostörda block av sediment som tidigare hade avlägsnats från arkeologiska platser och indränkt i syntetisk plastliknande (polyester) harts. De härdade blocken togs till laboratoriet och skivades i sektioner för mikroskopisk avbildning och genetisk analys.

Forskarna extraherade framgångsrikt DNA från en samling block av sediment som bereddes så länge som för 40 år sedan, från platser i Afrika, Asien, Europa och Nordamerika. "Det faktum att dessa block är en utmärkt källa till forntida DNA - inklusive det som härstammar från homininer - trots ofta årtionden av lagring i plast, ger tillgång till ett stort outnyttjat förråd av genetisk information. Studien öppnar upp en ny era av forntida DNA-studier som kommer att återbesöka prover som lagrats i laboratorier, vilket möjliggör analys av webbplatser som för länge sedan har fyllts på igen, vilket är särskilt viktigt med tanke på resebegränsningar och webbplatsens otillgänglighet i en pandemivärld", säger Mike Morley från Flinders University i Australien som ledde några av de geoarkeologiska analyserna.

Överflöd av mikrorester i sedimentmatrisen

Forskarna använde block av sediment från Denisova-grottan, en plats belägen i Altai-bergen i södra centrala Sibirien där forntida DNA från neandertalare, denisovaner och moderna människor har hämtats, och visade att små organiska partiklar gav mer DNA än sediment som provades slumpmässigt. "Det visar tydligt att den höga framgångsfrekvensen för forntida däggdjurs-DNA-hämtning från Denisova-grottans sediment kommer från överflöd av mikrorester i sedimentmatrisen snarare än från fritt extracellulärt DNA från avföring, kroppsvätskor eller sönderfallande cellulär vävnad som potentiellt adsorberas på mineralkorn, säger Vera Aldeias, medförfattare till studien och forskare vid universitetet i Algarve i Portugal. "Denna studie är ett stort steg närmare att förstå exakt var och under vilka förhållanden forntida DNA bevaras i sediment", säger Morley.

Tillvägagångssättet som beskrivs i studien tillåter mycket lokaliserad mikroskalig provtagning av sediment för DNA-analyser och visar att forntida DNA (aDNA) inte är jämnt fördelat i sedimentet; och att specifika sedimentegenskaper är mer gynnsamma för forntida DNA-bevarande än andra. "Att länka sediment-aDNA till det arkeologiska mikrokontexten innebär att vi också kan ta itu med möjligheten av fysisk rörelse av aDNA mellan sedimentära avlagringar", säger Susan Mentzer, forskare vid Senckenberg Center for Human Evolution and Palaeoenvironment (Tyskland).

Diyendo Massilani, huvudförfattaren till studien, kunde återvinna betydande mängder neandertal-DNA från endast några milligram sediment. Han kunde identifiera könet på de individer som lämnade sitt DNA bakom sig, och visade att de tillhörde en population relaterad till en neandertalare vars genom tidigare rekonstruerats från ett benfragment som upptäckts i grottan. "Neandertal-DNA:t i dessa små prover av plastinbäddade sediment var mycket mer koncentrerat än vad vi vanligtvis hittar i löst material", säger han. "Med detta tillvägagångssätt kommer det att bli möjligt i framtiden att analysera DNA från många olika forntida mänskliga individer från bara en liten kub av stelnat sediment. Det är roligt att tänka att det förmodligen är så eftersom de använde grottan som en toalett tiotals tusentals år sedan."

Forskningen publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences .