Professor Rasmus Nielsen kan fortælle de største historier ud fra de mindste genetiske forskelle. Han blotlægger menneskets fortid og evolution gennem mønstre i menneskers genomer. Nu modtager han Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk og Naturvidenskabelig Forskning 2020 på 5 mio. kr.

Af Jørn Madsen , videnskabsjournalist, Københavns Universitet 

Det er enorme datamængder, Rasmus Nielsen jonglerer med. I princippet tæller hver eneste mutation blandt vores tre milliarder dna-byggesten, og jo flere genomer, der kan bruges i modellerne, jo bedre. Det gør det muligt at se sporene efter hændelser i vores evolutionshistorie.

Gemt i genomerne er fx spor efter folkevandringer, gener fra andre menneskearter og spor efter befolkningstilvækst og -tilbagegang. Mutationer viser, hvordan vi har tilpasset os vores levesteder og levevilkår, og det er endda muligt at se, hvornår de opstod – og undertiden hvem de stammer fra.

Det er nogle helt andre historier end dem, man først havde håbet at fortælle, da den moderne genomforskning tog sin begyndelse: 

”Man begyndte at sekventere (kortlægge, red.) genomer for omkring 20 år siden, da jeg var ph.d.-studerende og postdoc. og det var som at tage en ubåd ned på de største dybder for at opdage nyt eller et rumskib ud i universet. Det lå i luften, at det ville blive muligt at besvare de allerstørste spørgsmål. Jeg tror, man må sige, at det ikke førte til de store gennembrud mht. fx sygdomsbehandling, som man havde håbet på, forklarer Rasmus Nielsen og tilføjer:

 ”I stedet blev det klart for mig, at man kan bruge genomerne til en slags historisk forskning og lære noget om, hvad det er for nogle processer, der har skabt dem.”

Fra gummistøvler til computer

Rasmus Nielsen arbejder på grænsefladerne mellem biologi, statistik, matematik og computervidenskab, hvor han udvikler statistiske modeller, regnemetoder og programmer, der kan håndtere de enorme mængder af data. Det er et arbejde, der ligger langt fra den mere praktiske del af biologien. Men det var i gummistøvler, han tog sine første naturhistoriske skridt.

”Da jeg voksede op var mit værelse fyldt med terrarier. Min søster var med i et atlasprojekt om krybdyr og padder, der kørte i 1970erne, og vi var ansvarlige for vores eget lille område i Nordsjælland og var ude at finde frøer og padder hver weekend.”

Under biologistudiet på Københavns Universitet faldt interessen på evolutionsbiologien. De nye genom-data krævede andre metoder og værktøjer end dem, en biolog normalt benytter, og bioinformatikken, tog sin begyndelse som forskningsfelt.

”Naturens diversitet er fascinerende, og jeg har altid haft en – måske lidt barnlig - nysgerrighed efter at forstå den og universets gåde. Hvor kommer al den biologiske diversitet, vi ser omkring os fra? Og når man ikke er religiøs, jamen så må man jo blive evolutionsbiolog.” 

Foto: Claus Alsing

 
Det amerikanske eventyr og idolerne

Rasmus Nielsen gik sine egne veje med selvstudier og kurser i statistik og datalogi, og opsøgte nogle af verdens førende eksperter og kom i en form for mesterlære. Han tog bl.a. til Aarhus Universitet, hvor en lille gruppe arbejdede med matematikken og statistikken bag geners evolution. Og så tog han hul på sit amerikanske eventyr i Californien:

”Jeg rejste til UC Davis for at arbejde hos professor John Gillespie, der måske er den største fortaler for selektionsteorien overhovedet. Det var i det sidste år af mit kandidatstudie. Han var ikke kendt for at have mange studerende, men han brugte en hel del tid på mig.”

Det blev en intensiv oplevelse med tomands-kollokvier.

”Gillespie havde skrevet bogen The Causes of Molecular Evolution, og vi mødtes en gang om ugen, hvor jeg så skulle forklare, hvad der stod i hvert kapitel for ham. Det lærte jeg utroligt meget af. Jeg brugte nogle gange 20 timer om ugen på at forberede mig, og så quizzede han mig i det. Det er en læringsform, der normalt ikke er tid til. Jeg skylder ham meget og havde ikke været, hvor jeg er i dag uden ham.”

På Harvard mødte Rasmus Nielsen et andet af sine idoler, professor Richard Lewontin, hvis bøger tidligt i studietiden havde ført Rasmus Nielsen i retning af genetikken. Lewontin  havde vist, at der var en forbløffende stor genetisk variation, når man kiggede på proteiner, hvilket kunne tolkes som om, mange genetiske forskelle ikke har nogen – eller bare lille – betydning for evolutionen, at de så at sige er neutrale.

”Han er et af de mest dybttænkende mennesker, jeg nogensinde har mødt, lige meget hvilket emne man diskuterede med ham, kunne han finde nye overraskende sammenhænge og årsagsforklaringer.”

Rasmus Nielsen

Født i 1970, opvokset i Humlebæk og nu bosat i Californien

Gift med amerikanske Dawn Weinstein og far til Hannah og Milla Nielsen

Professor ved Københavns Universitet og professor og leder af Nielsen Lab ved Department of Integrative Biology ved University of California, Berkeley

Forfatter til omkring 200 videnskabelige artikler

Modtager af Uddannelses- og Forskningsministeriets EliteForsk-pris i 2007

Professor ved Cornell (2000-2004)

Postdoc ved Harvard (1998-2000)

Ph.d.-studier ved Berkeley og Harvard, ph.d. 1998

Én procent af genomet har formet forskerkarrieren

Gillespie og Lewontin havde hver deres tilgang til spørgsmålet om genetisk variation, især om selektionens betydning for udformningen af genomet. Og sideløbende med sit ph.d.-projekt begyndte Rasmus Nielsen at arbejde med selektionsmodeller.

”I langt det meste af et genom er mutationerne neutrale, det gælder måske for 99% af genomet, men for den sidste procent betyder forskellene noget, da de er under selektion. Det er her, vi kan se tilpasninger og adaptation.”

Denne ene procent af genomet har formet en stor del af Rasmus Nielsens forskerkarriere. Den er interessant, fordi den kan fortælle om vores tilpasninger. De sidste 99 procent kan fortælle andre og meget detaljerede historier. De er så at sige tavse vidner – små fyrtårne – der kan lede os langt tilbage i fortiden. Jo mere detaljerede genomer og jo flere af dem, jo tydeligere kan vi se.  

”I mennesket kan man kigge ca. 10.000 generationer tilbage ved at analysere blot nogle få genomer. Det er omkring 200.000-300.000 år! Vi kan blandt andet  se, hvor store populationerne har været gennem tiden, om de har været gennem en flaskehals, om de har mødt andre folkeslag –  og om de har udvekslet gener. Det kræver nogle meget komplekse modeller, og det udgør nok kernen af min forskning i dag.” 

Den væsentligste erkendelse

Nogle af menneskegenomets mønstre har vist sig at være højst besynderlige. Omkring 2010 havde Rasmus Nielsens gruppe i Berkeley fundet steder, som sprang i øjnene. Områderne var fremmedartede, nærmest umenneskelige, hos europæere og igen helt anderledes end hos afrikanere. Kunne det være områder med dna fra neandertalere?

På samme tid var en forskergruppe i Tyskland ved at kortlægge neandertal-genomet. Uden at kende til tyskernes resultater, kontaktede Rasmus Nielsen dem og gav et bud på, hvordan neandertalernes dna kunne tænkes at have set ud, baseret på 13 afvigende områder. Forudsigelsen ramte plet for de 11 områder! Det afvigende dna havde vi altså arvet fra en for længst uddøde slægtning. Det var ”et af de tidspunkter i en forskers liv, hvor det er fedt, hvor det virkelig lykkes”. Siden er der påvist dna fra andre mennesketyper hos nutidsmennesket.

”Vi mennesker og vores forskellige forfædre har udvekslet dna indbyrdes. Og det gælder ikke bare os, det samme ses hos mange dyrearter. Det er nok den væsentligste erkendelse, vi har gjort i min tid – det har for alvor ændret evolutionsbiologien.”

Det måske allermest overraskende er, at det fremmede dna, vi har fået, også kan spille en vigtig rolle for vores overlevelse. Vi har så at sige arvet tilpasninger, som egentlig er udviklet hos nært beslægtede menneskearter.  

”Det gen, der gør det muligt for tibetanere at overleve i den tynde luft uden at skulle danne farlige mængder af røde blodlegemer, er et gen, der stammer fra en uddød menneskeart kaldet denisova-mennesket. Vi fik det ind i genomet for 40.000-50.000 år siden. Nu findes det hos næsten alle tibetanere, men fx kun hos et fåtal af kinesere i lavlandet.”

Dykker-dna gav vigtigt fund

Rasmus Nielsen har stået bag de analyser, der har påvist to helt forskellige måder at tilpasse sig iltmangel på. Folk i det tibetanske højland har fx en mutation, så de ikke producerer så mange røde blodlegemer, der let kan føre til alvorlige problemer med tyktflydende blod, højt blodtryk og blødninger. Mens Bajau-dykkerne i SØ-Asien lever ved havoverfladen og ikke har problemer med tynd luft, men skal kunne holde vejret længe.

”Bajau-dykkerne har kun brug for at have ekstra mange blodlegemer en gang i mellem. Derfor har de en særligt stor milt, cirka halvanden gang så stor som din og min, som så kan sprøjte røde blodlegemer ud i årerne, når der er behov for det.”

I dna fra spytprøver fandt Rasmus Nielsens forskerteam specielle varianter af et gen, der koder for et enzym, der er med til at trække de små blodkar sammen under dykkerefleksen. Men genet øger også kroppens produktion af hormoner fra skjoldbruskkirtlen, som igen kan få milten til at vokse.

Evolution som netværk

Lige som alle andre biologer har Rasmus Nielsen siddet og tegnet stamtræer, der forgrener sig til nye arter. I dag vil et netværk, hvor trådene eller grenene splittes og samles i et virvar af knudepunkter være et mere tidssvarende billede på evolutionen.

”Vores evolution er ikke et forgrenet træ, men et netværk. For mig er det lidt revolutionerende at tænke på - det kræver nok en ny generation, der er trænet og tænker på en anden måde.”

Rasmus Nielsens arbejde foregår ved en computer, hvor han kan køre sine programmer. Data får han fra forskere, der kortlægger dna og hele genomer fra nulvende mennesker og dyr eller fra gamle skeletter. Han kommer ikke en gang i laboratorier, ”de fleste ville nok også gerne være fri for at have mig rendende”.

Han kan godt være lidt jaloux på de forskere, der laver feltarbejdet, men er nok for meget ude af træning, han ville bare være ”en statistiker der er totalt i vejen og bare skræmmer dyrene væk”. I stedet må han se sine kolleger bedøve isbjørne i Grønland, grave skeletter ud i Alaska eller dykke med Bajau-folket i SØ-Asien.  

De senere år har Nielsen Lab arbejdet på artikler om padder og krybdyr fra Nord- og Sydamerika og Kina. De har fx kigget nærmere på en lille, grøn-marmoreret frø, der lever højt oppe i Perus bjerge, og ikke mindst på pilegiftfrøer, som bebor et terrarie på Rasmus Nielsens kontor.

”Hungiftfrøen lægger sit æg på ryggen af hannen, som kravler op i plante og lægger ægget i en vandlomme og vogter det. Hunnen kommer forbi og lægger ubefrugtede æg, så haletudsen har noget at leve af. Det simpelthen bare spændende og interessant.”

Menneskets evolution og forhistorie og komplekse modeller har fyldt mest i Rasmus Nielsens videnskabelige produktion. Men inderst inde er han stadig biolog med forkærlighed for at få beskidte støvler:

”Jeg elsker biologi, og jeg synes, det er sjovere end statistik. Når jeg er på vandretur, finder jeg ro og glæde. Naturen er fundamentalt bare fascinerende.”