Misterele biologice decodate cu intalnirea cu radiocarbon

De la infiintare in urma cu 25 de ani, Centrul pentru Accelerator de Spectrometrie de masa (CAMS) de la Lawrence Livermore a sprijinit cercetarea stiintifica pentru o serie diversificata de discipline. Capacitatile precise de masurare la CAMS permit cercetatorilor sa identifice compozitia izotopica a unui esantion dat. Eforturile continue de imbunatatire a tehnicilor de pregatire a esantionului si a metodelor de detectare au asigurat ca CAMS poate ajuta la abordarea unor provocari stiintifice importante in domenii, de la arheologie si geofizica, la farmacologie si neproliferare.

Un efort important de cercetare implica determinarea varstei precise a materialului biologic generat in ultimii 60 de ani, prin masurarea raportului dintre radiocarbon (sau carbon-14) la carbon-12 si carbon-13 in probe. Medicina stiintifica folosind datarea cu puls-bomba cu radiocarbon este posibila din cauza semnaturii izotopice create prin testarea nucleara de la sol intre 1955 si 1963, care a dublat aproape cantitatea de carbon-14 din atmosfera. Cand tratatul de interzicere a testului de la sol a intrat in vigoare in 1963, nivelurile atmosferice de radiocarbon au inceput sa scada pe masura ce carbonul 14 a migrat in oceane si biosfera. Organismele vii incorporeaza in mod natural carbonul in tesuturile lor pe masura ce elementul se deplaseaza prin lantul alimentar. Drept urmare, concentratia de carbon-14 lasa un timbru de nesters pe fiecare molecula biologica cand apare.

Pentru a extrage carbon pentru masurare, cercetatorii de la CAMS transforma un esantion in dioxid de carbon, fie prin combustie, fie printr-un proces chimic si apoi reduc dioxidul de carbon in grafit – o forma de carbon – pe un catalizator de fier. „Grafitul este ceea ce masuram”, spune Bruce Buchholz, savantul de la Livermore, care a ajutat pionier in aceasta tehnica la CAMS. „Un esantion de dimensiuni complete este de aproximativ dimensiunea unui bob de sare, care cantareste intre 100 de micrograme pana la 1 miligram, desi de multe ori masuram cantitati de pana la 20 de micrograme.”

Orice proba care contine suficient carbon pentru a masura – smaltul dentar, proteinele sau ADN-ul, de exemplu – poate fi datata folosind spectrometrul extrem de precis la CAMS. (Vedeti caseta de mai jos.) Proiectele recente au aplicat datarea cu impulsuri cu bombe pentru a ajuta la rezolvarea a trei mistere bazate biologic care implica cazul rece al unei persoane disparute, cresterea neuronilor in creierul uman si proteine ​​din lentila ochiului uman.

Neuronii continua sa creasca

Buchholz a lucrat de asemenea cu o echipa CAMS la o colaborare internationala pentru a studia cresterea neuronilor in creierul uman. In cea mai mare parte a secolului XX, oamenii de stiinta au crezut ca neurogeneza se opreste la scurt timp dupa nastere. In anii 90, insa, studiile asupra rozatoarelor au aratat ca cresterea neuronilor continua in regiunea bulbului olfactiv asociat cu mirosul. Desi aceasta crestere nu a fost gasita la primatele non-umane, cercetatorii s-au intrebat daca creierul uman a generat neuroni in numar apreciabil de-a lungul vietii si, daca da, ce zone ale creierului au fost implicate.

Cercetatorii CAMS au masurat concentratia de carbon 14 in ADN-ul genomic al neuronilor din hipocamp pentru a ajuta colaboratorii din Europa sa dezvolte un model pentru a explora cum si cat de des se regenereaza diferite tipuri de celule hipocampale. Apoi, echipa a luat celulele din hipocampul cadavrelor umane, a izolat nucleele de neuroni si celule neuronale si a extras ADN-ul pentru analiza. Rezultatele au aratat ca, in celulele neuronale, rata cifrei de afaceri scade odata cu varsta. Adica, pe masura ce oamenii imbatranesc, creierul lor creeaza mai putine celule neuronale. Masuratorile in ADN-ul genomic neuronal au spus o alta poveste. Cele mai vechi subiecte studiate (care au murit la 90 de ani sau mai in varsta) au avut un nivel mai ridicat de carbon-14 decat ar fi fost prezent in atmosfera inainte de 1955, ceea ce indica cresterea neuronului continuata in hipocampus cel putin in deceniul cinci al subiectilor.

Echipa exploreaza in continuare rolul exact al neuronilor hipocampali, in special, deoarece cresterea neuronilor este importanta pentru imbatranirea sanatoasa. Noi neuroni sunt necesari pentru separarea eficienta a modelului si permit creierului sa proceseze si sa pastreze experiente similare ca amintiri distincte. Celulele mai vechi sunt necesare pentru completarea modelului, ajutand oamenii sa asocieze amintiri similare intre ele. De asemenea, studiile indica faptul ca neurogeneza redusa joaca un rol in bolile psihiatrice precum depresia, dar raman intrebari cu privire la procesele implicate. Stiind ca cresterea neuronului continua ar putea duce chiar la terapii pentru regenerarea tesutului cerebral pierdut in urma traumelor sau a bolii.

Dintele duce la adevar asupra cazului rece

Cazurile reci sunt rareori rezolvate cu viteza indicata intr-o drama de crima TV. Cu toate acestea, descoperiri recente au rezultat din utilizarea combinata a tehnologiei medico-legale moderne si a metodelor de analiza. Un astfel de caz a implicat un fragment de craniu gasit in 1968 pe malurile unui rau canadian. In 1969, o evaluare antropologica a unui dinte in fragment a plasat varsta decedatului la 7 pana la 9 ani. Nu au fost raportati lipsa de copii locali in aceasta categorie de varsta, astfel incat dovezile au fost puse in depozitare.

In 2005, ramasitele au fost expediate la Laboratorul ADN Antic de la Universitatea Simon Frazier din Canada pentru analize cu tehnici mai noi, inclusiv datarea cu radiocarbon. „Masuratorile pe care le facem la CAMS nu rezolva neaparat un caz, dar pot ajuta autoritatile sa reduca posibilitatile”, spune Buchholz.

Pentru cazul rece, echipa Livermore a analizat smaltul a doi dinti din fragmentul craniului: un molar de foioase complet format (un dinte pentru bebelus) si un premolar format partial (un dinte adult). Buchholz remarca faptul ca odata ce s-a dezvoltat smaltul dintilor, nu incorporeaza carbon nou, ceea ce il face un indicator remarcabil de precis al varstei unei persoane. Deoarece dintii din fragment s-ar fi format in momente diferite in ciclul de crestere al copilului, cantitatea de carbon-14 din fiecare dinte ar indica daca decedatul s-a nascut inainte sau dupa varful testarii nucleare de la sol. Smaltul din dinte pentru copil a corespuns unui an de nastere intre 1958 si 1962. Emailul premolar s-a format in jurul anului 1963 si, deoarece acest dinte era incomplet, cercetatorii au concluzionat ca copilul a murit in 1963 sau mai tarziu.

Colaboratorii echipei au analizat, de asemenea, esantionul folosind tehnici antropologice mai noi, de exemplu, determinand cantitatea de osificare a scheletului si circumferinta capului. Aceste rezultate au dus la o varsta la deces de 4,4 ani ± 1. Masurarile combinate sugereaza ca copilul s-a nascut intre 1958 si 1962 si a murit intre 1963 si 1968. O analiza mai detaliata a ADN a condus autoritatile la un copil local care lipsea de la inceputul anului 1965 si s-a presupus ca s-a inecat, permitandu-le sa inchida cazul.

„Acesta este doar un exemplu al modului in care asistam fortele de ordine”, spune Buchholz. „Doar in SUA, exista mii de ramasite neidentificate, iar acele cazuri de John si Jane Doe ar putea beneficia de analiza folosind o astfel de combinatie de tehnici.”

Un ochi pe reinnoire

O alta colaborare CAMS a studiat proteinele din lentila ochiului uman pentru a intelege mai bine cum se formeaza cataractele si cum sa le tratezi cel mai bine. Cataractele sunt cauzate de o tulburare in cristalinul ochiului si, daca nu sunt tratate, pot duce la orbire. Conform Centrelor de Control si Prevenire a Bolilor, aproximativ 20,5 milioane de americani in varsta de 40 de ani sau mai mari au cataracta. Pana in 2020, se preconizeaza ca acest numar va creste la 30,1 milioane.

In miezul lentilelor oculare se afla celule de inalta specializare, de lunga durata, formate din proteine ​​cristaline, transparente. Integritatea structurala si functionala a proteinelor lenticulare ajuta la pastrarea celulelor transparente, permitand o viziune adecvata. „Cum aceste lentile pot face fata stresului si imbatranirii, fara o capacitate de refacere si reparare a proteinelor, nu este inteles complet”, spune Buchholz. La mijlocul anilor 2000, cercetatorii CAMS au colaborat cu Paul FitzGerald, profesor la Universitatea California din Davis, pentru a determina daca proteinele din miez sunt facute din celule de varste diferite. „Daca sunt, am sti ca exista un proces de rotatie si reinnoire a proteinelor”, spune Buchholz.

Folosind probe din cadavre, cercetatorii au indepartat straturile de celule ale lentilelor ochilor adulti pentru a ajunge la miez. Apoi au separat proteinele de baza in fractiuni solubile in apa si insolubile in apa, care au fost analizate la CAMS pentru a determina varsta medie pentru fiecare proba. Probele insolubile in apa – care contineau proteine ​​ale membranei – aveau raporturi de carbon 14-carbon in concordanta cu varsta celulelor, in timp ce probele de proteine ​​cristaline solubile in apa contineau carbon care era mai tanar.

„Studiul nostru a furnizat primele dovezi directe ale cifrei de afaceri a carbonului la acest tip de proteine ​​la omul adult”, spune Buchholz. Concluziile sugereaza ca nucleul lentilelor este un sistem dinamic, mentinand sanatatea si rezistand la vatamari prin mecanisme de transport proteice necunoscute si, eventual, repararea proteinelor. „Daca oamenii de stiinta pot intelege transportul proteic, pot gasi in cele din urma modalitati de a intarzia aparitia cataractei sau chiar de a preveni sau vindeca aceasta afectiune debilitanta”, spune Buchholz.

Curba viitorului

Pe masura ce trece timpul, curba bomba-puls continua sa se aplatizeze. Cu toate acestea, carbonul 14 are un timp de injumatatire de aproape 6.000 de ani, astfel incat urmele acestuia vor ramane. Cercetatorii de la Livermore lucreaza la imbunatatirea capacitatilor de analiza la CAMS, astfel incat sa poata fi masurate urme mai mici si mai mici ale izotopului. Echipa CAMS contribuie si la alte cercetari biologice, inclusiv un studiu privind formarea anevrismelor.

Utilizarea pulsului bombei de la testele nucleare de la sol pana in prezent a materialelor bazate biologic a devenit dintr-o tehnica noua intr-o parte integranta a multor eforturi stiintifice. Aceasta derulare inovatoare din misiunea principala de securitate nationala a Laboratorului contribuie la promovarea eforturilor de aplicare a legii si a cercetarii medicale. In douazeci si cinci de ani si inca conteaza, CAMS continua sa ofere capacitatile sale unice pentru a ajuta la rezolvarea misterelor stiintifice importante.

– In Parker

Cuvinte cheie: datare cu radiocarbon cu impulsuri cu bomba, carbon-14, cataracta, Centrul pentru spectrometrie de masa accelerata (CAMS), carcasa rece, hipocamp, neurogeneza, criminalistica stiintifica.

Pentru informatii suplimentare, contactati Bruce Buchholz (925) 422-1739 ([email protected]).