Scriptie: The Implementation of SedaDNA Analysis in Roman Archaeology in the Netherlands
Geschreven door Mirjam Rijpma
Voor mijn masterscriptie Romeinse archeologie heb ik samen met de Radboud Universiteit en Constructing the Limes (C-Limes) onderzoek gedaan naar de implementatie van sedimentair DNA analyse binnen de Romeinse archeologie in Nederland. Om deze scriptie uit te kunnen voeren ben ik begeleid door Astrid van Oyen (Radboud Universiteit) en Arjen de Groot (Universiteit van Wageningen).
Eind vorig jaar werd mijn interesse in sedimentair DNA (sedaDNA) gewekt tijdens een lezing van C-Limes op het Romeinensymposium. Toen het later dat semester tijd werd om een scriptieonderwerp te kiezen viel mijn oog dus ook gelijk daarop. Vanuit mijn achtergrond als technisch geneeskundige heb ik een voorliefde voor de biologische aspecten van archeologie, en ben ik altijd op zoek naar technische uitdagingen. SedaDNA is daarom een perfect onderwerp waar al mijn interesses in samen komen.
De scriptie “The Implementation of SedaDNA Analysis in Roman Archaeology in the Netherlands” is een onderzoek naar de potentie van sedaDNA analyse in de Romeinse archeologie, en de stappen die gezet moeten worden om de techniek in archeologisch onderzoek te kunnen implementeren in Nederland. Dit onderzoek bestond uit een analyse van de archeobotanie en archeozoologie in Nederland, om de technieken, potentie, en uitdagingen binnen deze onderzoekssector in kaart te brengen. Hiervoor is er een expertinterview gedaan met archeobotanist Laura Kooistra en archeozoöloog Maaike de Groot. Vervolgens is er in kaart gebracht welke uitdaginen binnen de bioarcheologie er met sedaDNA analyse opgelost zouden kunnen worden. Om de techniek toe te kunnen passen moet er echter nog veel gebeuren. In het tweede deel van het onderzoek lag de focus daarom volledig op sedaDNA, ook hier heb ik een expertinterview uitgevoerd met geneticist Fabricio Furni. Eerst heb ik het proces van bemonstering tot interpretatie uitgezet, waarbij ik bij elke stap heb gekeken welke limitaties er aan de techniek verbonden zitten. Voor deze limitaties heb ik vervolgens mogelijke oplossingen, of vervolgontwikkelingen gezocht, om zo uit te zetten welke stappen er in de toekomst nog genomen moeten worden om de techniek toepasbaar te maken in de Romeinse archeologie in Nederland.
Een belangrijke limitatie van conventionele onderzoekstechnieken binnen de bioarcheologie is de afhankelijkheid van de aanwezigheid van botanisch of zoologisch materiaal. Met name bij botanisch materiaal is overlevering vaak sterk afhankelijk van de manier waarop de resten in de grond bewaard zijn, Ook bij zoologisch materiaal kan het moeilijk zijn om kleine restanten, zoals vissen- of vogelbotjes, te vinden. Hierdoor kunnen soorten die wel aanwezig waren in de Romeinse tijd worden gemist in de archeobiologische analyse doordat er geen materiaal meer van de site verzameld kan worden.
Om slecht overgeleverde soorten wel te kunnen determineren kan er gebruikt worden gemaakt van sedaDNA. Deze vorm van DNA blijft achter in de grond, nadat plantenresten composteren, of dierenresten vergaan of secreteren. Doordat er dus in theorie van elke soort die op de grond geleefd heeft DNA in de grond blijft zitten, zou er met DNA analyse een meer accurate reconstructie van de biodiversiteit op een gebied gemaakt kunnen worden. Hiermee kunnen onderzoeksvragen over agricultuur, veeteelt, dieet, mobiliteit, en gezondheid in Romeins Nederland worden beantwoord.
Voordat sedaDNA in de praktijk toepasbaar is is er echter nog werk nodig. Omdat het DNA niet alleen in de grond zit, maar ook al zo’n 2000 jaar oud is, is het materiaal vaak gedegradeerd en soms door de grondlagen gemigreerd. Daarnaast is er risico op contaminatie met ander DNA materiaal tijdens de bemonstering, verwerking, en analyse van het sedaDNA. De combinatie van deze beide factoren kan ervoor zorgen dat er in de analyse bepaalde soorten gemist worden terwijl deze in het monster wel aanwezig zijn, of juist in de analyse geïdentificeerd worden terwijl deze in het monster eigenlijk helemaal niet aanwezig zijn. Tijdens de laatste stap, bioinformatica, kunnen er nog problemen optreden met de taxonomische resolutie. Hoe goed verschillende soorten aan de hand van hun DNA in een monster herkend kunnen worden is afhankelijk van de database met referentie DNA. Sommige diersoorten, zoals koeien, die nuttig zijn voor bijvoorbeeld veeteelt of landbouw krijgen meer aandacht bij het opstellen van een referentiedatabase dan andere dieren, zoals insecten. Hierdoor zijn bepaalde DNA fragmenten uit het monster makkelijker te identificeren. Het is tevens lastig om aan de hand van de bodemmonsters verschillende soorten flora en fauna van een gebied te quantificeren.
Om sedaDNA analyse in de toekomst makkelijker inzetbaar te maken in de Romeinse archeologie moeten we eerst beter met deze uitdaginen leren omgaan. Allereerst moet er verder onderzocht worden welk effect verschillende bodemsoorten hebben op het behoud van DNA en de migratie ervan. Dit helpt om te begrijpen hoe de degradatie van DNA zich ontwikkelt, maar helpt ook de context van het DNA in beeld te brengen. Contaminatie moet ook beperkt worden door steriele protocollen te hanteren tijdens het bemonsteren en het verwerken van de monsters. Om de taxonomische resolutie te vergroten kan er gebruikt worden gemaakt van een capturing techniek. Deze techniek target specifieke genomen om deze makkelijker uit een monster te kunnen onderscheiden. Dit kan handig zijn wanneer de onderzoeksvraag bijvoorbeeld op een specifieke diersoort focust. Daarnaast moet er ook gewerkt worden aan het vergroten van de referentie database. Om tenslotte de algehele resolutie te verhogen moet er rekening gehouden worden met vals positieve en vals negatieve waardes in de dataset. Dit kan gedaan worden door gebruik te maken van statistische modellen, zogeheten “site occupancy detection models”.
Logistiek gezien doen zich ook een paar uitdagingen voor. Op dit moment is sedaDNA analyse nog relatief duur en kost veel energie. In Nederland is er maar een klein aantal sedaDNA specialisten binnen de archeologie, waardoor labwerk vaak in het buitenland wordt uitgevoerd, wat geld en energie kost. Daarnaast is het algemene energie verbruik van dataverwerking op zo’n grote schaal erg hoog. Dit is niet een problem voor sedaDNA analyse in het bijzonder, maar eerder een probleem dat zich voordoet bij alle grote datacentra. Dessalniettemin is het belangrijk om ons ervan bewust te blijven.
SedaDNA analyse heeft nog een lange weg te gaan voordat het toepasbaar is als onderzoekstechniek in de Romeinse archeologie in Nederland. Wanneer de limitaties en oplossingen die in dit onderzoek naar voren zijn gekomen verder worden onderzocht kan het in de toekomst wel een aanvulling vormen op de huidige onderzoekstechnieken in de bioarcheologie. Samen met archeobotanie en archeozoologie kan sedaDNA analyse bijdragen aan de reconstructie van biodiversiteit en landschappen in Romeins Nederland. Zo kunnen onderzoeksvragen over agricultuur, veeteelt, dieet, mobiliteit, en gezondheid nog accurater beantwoord worden.
Lees hieronder de gehele scriptie: