Jarlen jagas med DNA-teknik

Labb efter labb har han byggt upp de senaste tio åren, arkeogenetikern och evolutionsbiologen Anders Götherström. Mångmiljoninvesteringar som ekar alltmer tomma när DNA-analysen söker sig nya vägar, där kemi betyder mindre och datorkraft nästan allt.

– Inom molekylärgenetiken går vi igenom ett paradigmskifte. Plötsligt har vi fått tillgång till extremt kraftfulla verktyg, som skulle framstått som science fiction för bara fem år sedan. Mängderna data är som att gå från ett glas vatten till Atlanten, säger Anders Götherström.

Han är forskare på Arkeologiska forskningslaboratoriet vid Stockholms universitet och har lett analyserna efter flera uppmärksammade gravöppningar de senaste åren. Just nu är 1200-talskungen Magnus Ladulås hetast. Hans DNA är nyckeln till att få bekräftat att det verkligen är Birger Jarl, hans hustru Metchild och sonen Erik som vilar på förnäm plats i Varnhems klosterkyrka i Västergötland.

Men kung Magnus ligger varken i sin egen eller i Karl Knutsson Bondes grav i Riddarholmskyrkan i Stockholm. Alla skelett man hittat i gravarna är från 1400-talet, visar C14-analys. Därför sätter arkeologerna sitt hopp till att han vilar i en försluten kammare mellan de två gravarna. Att gråmunkeklostrets grundare skulle vila i en annan kyrka finner arkeologerna osannolikt.

Men DNA-analys kan inte bara bekräfta vem som ligger var; tillsammans med isotopanalys och andra metoder kan den också avslöja mycket om kungarnas och högadelns liv. Något som arkeologerna inte kunnat berätta om, trots att många kungar är väldokumenterade historiskt eller i alla fall omskrivna.

DNA-analys har blivit den felande länken mellan historia och arkeologi.

För ett tiotal år sedan satt arkeogenetikerna och pusslade ihop DNA-fragment mer eller mindre manuellt på sin dataskärm. Det rörde sig kanske om ett hundratal pyttesmå fragment som mödosamt vaskats fram på kemisk väg, en process som kunde ta månader. För fem år sedan fick man i bästa fall fram 30 000 baspar på en natt. I dag är mängderna nästan ofattbara.

– Förut lade vi 95 procent av tiden på kemin, för att få fram data, och 5 procent på att analysera. I dag är det precis tvärtom. Över en natt kan vi ta fram 120 miljarder baspar, vilket motsvarar 40 hela genom, alltså kompletta gen­uppsättningar! Sedan tar det ett halvår att analysera materialet med kraftfulla datorer, säger Anders Götherström.

Metoden som används för att analysera historiskt DNA har tre viktiga moment: att ta fram användbara mängder arvsmassa ur ben, att skilja historiskt DNA från nyare och att pussla samman fragmenten i dator. Alla moment har utvecklats mycket snabbt de senaste åren.

Även om det här rör sig om historiskt material och inte nytt, är momenten desamma som till exempel rättsmedicinare använder för att analysera DNA från brottsplatser. Även där kan mängderna användbart material vara mycket små. Anders Götherström samarbetar därför med framför allt Rättsmedicinalverket i Linköping för att förfina metoderna.

Han har bland annat ändrat prepareringen av DNA-materialet genom att byta ut reagenser som normalt används för att modifiera DNA-kedjorna på olika sätt. Han har med dataexperters hjälp gjort om algoritmer i databehandlingen så att hänsyn tas till att fragmenten ofta är mycket korta.

Att ta fram användbara mängder arvsmassa görs egentligen i två steg: först extraheras DNA-fragment ur ett prov. Sedan amplifieras, mångfaldigas, fragmenten så att man får ett större material att arbeta med. Därefter sekvenseras och alignas materialet, det vill säga fragmenten pusslas ihop till DNA-kedjor.

Utvecklingen sköt fart för drygt 15 år sedan, då metoden pyrosequencing utvecklades vid Kungliga tekniska högskolan i Stockholm. Den innebar att man kunde läsa DNA-koden samtidigt som den byggdes upp; extrahering och sekvensering gjordes alltså samtidigt. Samma princip används än i dag, men de kemiska reaktioner som tidigare gjordes i provrör görs nu i pyttesmå oljedroppar eller på chip.

– Reaktionerna har blivit mycket mindre, det är den stora skillnaden mot bara för några år sedan. Vi kan samla extrema mängder data på kort tid. Det medför förändringar överallt: mindre tid i labb, mer tid till att få ordning på materialet. Det är en annan typ av kompetens som inte har efterfrågats tidigare, säger Anders Götherström.

– Vi var ganska tidigt ute med att analysera gammalt DNA med de nya metoderna. Jag minns hur jag skickade material till en kompis i Danmark och efter två veckor fick 200 000 baspar. Då var jag van vid tio sekvenser i taget. Jag började gå igenom dem halvmanuellt, men efter en vecka hade jag inte ens bearbetat en procent. Då insåg jag att det inte längre skulle räcka med den typen av kompetens.

Med minskad skala behövs inte längre stora labb som de Anders Götherström varit med och skapat. De byggs nu om till kontorsutrymmen. Sekvensbehandlingen läggs ut på datafolk och kampen om dataresurser har avlöst kampen om labbtid.

Sekvensbehandlingen görs med bioinformatik, en statistikbaserad metod för att datoranalysera mycket stora datamängder, inom framför allt molekylärbiologi. De fragment som analyseras jämförs med en huvudsekvens och fogas ihop i rätt ordning så gott det går.

Att det kan vara svårt att få fram bra material att arbeta med, även med nytt DNA, visar blundern med regissören Ingmar Bergman, där forskare fick fram att han inte var släkt med sin egen mor. Men det visade sig att det genetiska material som isolerats inte kom från den saliv på ett frimärke som man tror Bergmans mor slickat på, utan från en labbtekniker.

Med de gamla metoderna ägnades mycket tid på att först borra ur ett prov ur en bit ben, till exempel en tand, och sedan tvätta provet rent i flera steg för att få bort gamla och nya föroreningar. I fallen med Birger Jarl och Magnus Ladulås är det till exempel troligt att många personer hanterat knotorna genom seklen. När det gäller helgon som den heliga Birgitta är risken ännu större, med tanke på den handel med helgonreliker som var vanlig på medeltiden.

Dagens metoder innebär att allt genetiskt material extraheras och sedan skiljs gammalt DNA från nyare i datorn.

– Om du till exempel får 10 miljarder baser ur ett gammalt extrakt kan 90 procent vara svampar, bakterier och annat skräp. Det ger en miljard baser som sekvenseras slumpmässigt. En del regioner i DNA får man inte alls, medan andra kommer med 4–5 gånger. Det kanske ger 10 procent av genomet, men sedan får man 10 procent från en annan del av extraktet, förklarar Anders Götherström.

Även om man får fram oerhört många baspar går det inte att ta ut mer genetisk information än den som från början finns i materialet. I en stenåldersman som analyserades fanns bara 5 procent av genomet bevarat. Man fick fram i stort sett samma sekvenser i tre olika körningar, vilket är mycket ovanligt när det gäller modernt DNA.

Allt DNA byggs upp av fyra kvävebaser som fäster i varandra par om par. Det gäller även historiskt DNA, så hur kan man skilja det från modernt?

– Det ser annorlunda ut, är fullt av skador. Vissa skador är vanligare än andra, till exempel att basen cytosin (C) bryts ner till tymin (T), men det finns även andra. Ju fler sådana CT-skador – mutationer – man hittar, desto äldre är provet. Man kan se att vissa skador är en mutation bort och andra är två mutationer bort. Det ger mönster som visar att provet är gammalt, säger Anders Götherström.

Det innebär dock inte att man lätt kan konstruera en tidsaxel där antalet mutationer direkt översätts till hur gammalt DNA det är. För det skiljer kraftigt mellan olika platser. I ett hett klimat förstörs DNA mycket snabbt, medan det knappt bryts ner alls i ett arktiskt klimat.

– I Konungarnas dal i Egypten finns inget DNA äldre än hundra år. I Antarktis finns det DNA som är över 500 000 år. Skulle allt DNA komma från ett och samma ställe kunde man kvantifiera det över tid och sedan anpassa det till olika platser med en annan medeltemperatur. Men jag gissar att C14 alltid kommer att vara en bättre metod, säger Anders Götherström.

Den första DNA-analysen av en historisk person som gjordes var troligen av nazistläkaren Josef Mengele, som gjorde experiment på fångar i koncentrationsläger. Hans kvarlevor hittades i Sydamerika för ungefär 20 år sedan och DNA-tester på dem och på hans son bekräftade identiteten. Den ryska tsarfamiljen som avrättades under ryska revolutionen är ett annat tidigt exempel på en imponerande analys, enligt Anders Götherström.

I Sverige har man förutom Birger Jarl med familj testat vikingakvinnan Estrid i Täby, den mäktiga Jarlabankeättens anmoder. Man har testat de påstådda kvarlevorna efter den heliga Birgitta och hennes dotter och funnit att de inte kommer från två individer som var släkt, utan är exempel på helgonreliker på drift.

Men släktskap är inte den enda informationen man får ut av en DNA-analys.

– All information som finns i arvsmassan kan man ta fram. Signalement som hår- och ögonfärg är lätt. Skulle någon finansiera det kunde man även i ett projekt ta fram markörerna för längd och kroppsstorlek. Sedan finns ju förstås frågan hur mycket av en person som är genetik och vad som är annat.

Hur miljön under en människas levnad avspeglar sig i en människas skelett beskrivs målande och dramatiskt av arkeologen och författaren Jonathan Lindström i hans uppmärksammade bok Bronsåldersmordet, som är en provkarta över den moderna teknik som står till förfogande för dagens arkeologer.

Osteologer, benforskare, kan sedan länge berätta om skador, förslitningar och en hel del sjukdomar. Men ett område där metoderna har utvecklats mycket är isotopanalys, där man studerar sammansättningen av grundämnen i skelettet. De senaste tio åren har man börjat kunna uttala sig om människors hela levnadshistoria.

Arkeologiska forskningslaboratoriets chef, professor Kerstin Lidén, är Sveriges ledande expert på området.

– Vi tittar på till exempel strontium- och svavelisotoper, som speglar den lokala geologin där man bott. Principen är att man är vad man äter. De senaste fem åren har vi även studerat isotoper i essentiella aminosyror, som kroppen inte kan producera, utan vi måste få i oss via maten.

Genom att undersöka tänder, som inte nybildas, kan man få en bild av individens ungdom, medan annan benmassa förnyas på 10 –15 år och berättar om individens sista decennium i livet. Via tänderna kan man alltså se om en människa flyttat efter cirka sex års ålder, och via andra ben kan spår av ändrad diet skvallra om i vilken typ av miljö hon har bott.

Isotopanalysen har utvecklats utifrån C14-metoden där ben dateras med hjälp av relationen mellan den sönderfallande radioaktiva kolisotopen C14 och de stabila isotoperna C12 och C13. Man upptäckte att det dessutom fanns skillnader i förhållandet mellan C13 och C12 beroende på om individen hade bott vid kusten eller i inlandet. Sedan började man studera andra grundämnen.

– Vi tittar framför allt på proteinet kollagen, men använder oss även av andra isotoper, som kväveisotoperna N14 och N15. Där får man information om på vilken nivå i näringskedjan som en individ befinner sig. Växter har låga kvävevärden och sedan ökar de ju längre upp i kedjan man kommer, säger Kerstin Lidén.

Isotopanalysen kan ge information om en människas diet i barndomens olika åldrar, beroende på vilka tänder man analyserar, och vid senare tidpunkter i livet via andra ben i kroppen.

Genom att jämföra med isotopanalyser från ben av lokala djur kan man se om människor växt upp på samma plats som de dog på, eller om de flyttat dit. Landsniglar, som inte rör sig särskilt långt, är en bra referens för de lokala isotopvärdena.

Tittar man på syreisotoper får man en indikation på nederbörd och temperatur, det vill säga vilket klimat som människan har levt i. Om man lägger in kväve- och kolisotoper i ett diagram får man veta om en människa eller ett djur livnärt sig främst på kött, fisk och växter – och om dessa kommer från land eller hav – eller om det har rört sig om en blandad kost.

Isotoper av vissa aminosyror kan berätta mer om växtfödan, som annars maskeras av protein från animalisk föda. Just nu utvecklas metoder för att undersöka kalciumisotoper, som ska ge information om intaget av mjölkprodukter. Batteriet utökas ständigt.

– Tanken är att studera skeletten från Riddarholmskyrkan och se om människorna bott på olika platser, om de har tillbringat barndomen och vuxenlivet på samma ställe eller inte. Det har vi testat på Bockstensmannen, som inte tycks ha varit en främling i den miljö där han hittades och därmed troligen ingen skatteindrivare som blev mördad, säger Kerstin Lidén.

Det finns även funderingar på att ta fram ett helt genom för Birger Jarl och Magnus Ladulås, om han nu hittas. Då måste allt material man har sekvenseras och det kostar pengar som måste tas från sidobudgetar och prioriteras lågt.

– Även om det är en av de saker som det är störst publikt sug efter är det svårt att finansiera. Om jag bevisar att Magnus och Birger är släkt och var de ligger, blir det inga nya mediciner, ingen ny förståelse för hur Sverige befolkades en gång i tiden eller ens någon ny kunskap om hur man levde på 1300-talet, säger Anders Götherström.