Científicos identifican docenas de plantas y animales a partir de ADN flotante

ARRIBA: Christina Lynggaard y Kristine Bohmann, investigadoras de la Universidad de Copenhague, capturan muestras de aire en el zoológico de Copenhague. CHRISTIAN BENDIX

Durante poco más de una década, los científicos han estado filtrando muestras de agua de acuarios, ríos, lagos e incluso del océano para obtener el ADN que arrojaron los peces y otras formas de vida acuática. El objetivo: utilizar este ADN ambiental (eDNA) para monitorear especies acuáticas. Ahora, un trío de artículos, dos sobre animales y uno sobre plantas, sugieren que también es posible detectar e identificar organismos terrestres usando eDNA flotando en el aire.

Aunque la investigación (junto con todo el campo de eDNA) está en En las primeras etapas, los expertos le dijeron a The Scientist que la tecnología podría hacer que sea más factible desde el punto de vista logístico y financiero encontrar y monitorear especies raras, en peligro de extinción, invasoras o tímidas. Dichos estudios probablemente complementarán en lugar de reemplazar los métodos de monitoreo existentes, como las cámaras trampa, dicen los científicos que trabajan con eDNA, pero la capacidad de llenar los puntos ciegos que dejan los métodos actuales podría ser inmensamente beneficiosa para los ecologistas.

Genética Los análisis que incluyen eDNA son una forma de democratizar y mejorar nuestra capacidad de saber qué sucede en el mundo natural, y también qué le estamos haciendo, Mark Stoeckle, un genómico ambiental de la Universidad Rockefeller que utiliza eDNA para monitorear las poblaciones de peces y no participó en ninguno de los nuevos estudios, dice The Scientist.

Dos de los tres estudios, ambos publicados hoy (6 de enero) en Current Biology, demostró la recolección y el análisis exitosos de eDNA en el aire arrojado por animales. Esos experimentos, uno realizado en y alrededor del zoológico de Hamerton en el Reino Unido y el otro en el zoológico de Copenhague en Dinamarca, se basaron en la suposición de que los animales en corrales, recintos y exhibiciones interiores emitirían señales fuertes y consistentes. Los autores de ambos artículos pudieron detectar e identificar el ADN de docenas de especies animales diferentes.

Por pura coincidencia, los dos experimentos se realizaron en paralelo sin que ninguno de los equipos supiera del otro hasta que un equipo dirigido por Elizabeth Clare, ecologista molecular de la Universidad de York, entonces en la Universidad Queen Mary de Londres, publicó su trabajo como preimpresión en bioRxiv solo unos días antes que el otro grupo, dirigido por la genómica evolutiva Kristine Bohmann del Instituto GLOBE de la Universidad de Copenhague. planeó presentar el suyo propio. Después de que Bohmanns y la primera autora Christina Lynggaards se calmaran, le dijeron a The Scientist, que los dos equipos se pusieron en contacto (es una comunidad pequeña y ya se conocían) y decidieron enviar sus artículos a las revistas como un paquete. acuerdo. Tener dos confirmaciones independientes de lo mismo, le dice Clare a The Scientist, la hace sentir mucho más segura de que lo que hemos hecho es realmente replicable.

La ecóloga molecular de la Universidad de York, Elizabeth Clare, recolecta ADN electrónico en el aire en el Zoológico de HamertonELIZABETH CLARE

Los estudios difieren en formas importantes, pero sus similitudes son más prominentes. Ambos capturaron eDNA usando aspiradoras para pasar aire a través de un filtro en varios sitios en sus respectivos zoológicos. Ambos usaron amplificación por PCR con cebadores para especies conocidas en el área para identificar y verificar animales de zoológico, un proceso llamado eDNA metabarcoding. Y en ambos casos, sus resultados superaron las expectativas de sus autores, especialmente para la investigación de prueba de concepto. Según sus hallazgos, los investigadores concluyen que el ADN animal puede viajar mucho más lejos por el aire de lo que esperaban. Ambos equipos pudieron detectar animales del zoológico y aquellos que viven fuera del zoológico, incluso a cientos de metros de distancia.

Estábamos seriamente preocupados de que no funcionara, le dice Clare a The Scientist. Lynggaard se hace eco de ese sentimiento. Cuando estaba planeando esto, pensé en el peor de los casos. . . Lo más probable es que no consiguieran nada, dice sobre sus expectativas iniciales. Pero los resultados fueron inesperadamente sólidos, ya que cada muestra arrojó ADN detectable de entre 6 y 21 especies.

En total, el equipo de Clares pudo identificar el ADN de 25 especies diferentes de mamíferos y aves que viven en el zoológico o cerca de él. , así como el ADN de los alimentos que se alimentan a esos animales. A veces, un sensor ubicado fuera de un edificio recogería cantidades identificables de ADN de una especie alojada en el interior, o de un recinto ubicado en todo el zoológico. Mientras tanto, el equipo de Bohmann detectó 49 especies de vertebrados: 30 mamíferos, 13 aves, un puñado de peces, un anfibio y un rango taxonómico de reptiles que dejó a Bohmann y sus colegas asombrados, le dice a The Scientist.

Hay algo en el aire

Los estudios dan seguimiento a un trabajo anterior en el que el equipo de Clares detectó eDNA en el aire de una colonia de ratas topo desnudas mantenidas en un entorno de laboratorio con muchas menos variables. que el zoológico.

Lo perfecto de los zoológicos es que tienes todas estas especies no nativas que no puedes mezclar con nada más, le dice Clare a The Scientist. Y también sabes con precisión dónde están. Eso se volvió muy importante para los dos porque estábamos recogiendo a los animales que estábamos cerca [de los sensores], pero también a muchos otros animales.

Ver El ADN ambiental se puede extraer del aire

La investigación del zoológico todavía se considera una prueba de concepto para el monitoreo de eDNA terrestre, aunque llevar los sensores de eDNA al aire libre representa una notable paso adelante para el campo. En este caso, los dos equipos adoptaron una variedad de enfoques para la recolección, que según los autores del estudio deberían ser informativos a medida que el monitoreo de eDNA en el aire se abre paso en la investigación ecológica aplicada. El equipo de Bohmann desarrolló tres tipos diferentes de sensores que aspiraban aire a través de aspiradoras convencionales y de agua y los colocaron dentro y alrededor del zoológico, donde filtraron el aire durante horas seguidas. Por el contrario, el equipo de Clares solo usó un tipo de sensor y recopiló, como máximo, ráfagas de media hora. Tener ambos enfoques publicados uno al lado del otro, dicen los expertos a The Scientist, servirá como una referencia valiosa al determinar qué enfoques son mejores para varios entornos.

Tuvimos cantidades minúsculas desde el punto de vista forense ADN, le dice Clare a El Científico. Tenían toneladas de ADN, agrega, pero debido a que el otro equipo realizó menos recopilaciones durante períodos de tiempo más largos, no tenían tantos detalles sobre su [procedente].

Por ahora, el proceso es Lejos de ser perfecto. Algunos animales que viven en los zoológicos, como un tigre que el equipo de Clares intentó detectar, faltaban por completo en las muestras de eDNA. Eso podría deberse a un error experimental o al animal que arroja menos ADN que otras criaturas, o a una combinación de una miríada de otros factores. Por ahora, cualquier intento de explicar por qué algunos animales fueron detectados más fácilmente que otros, dice Clare, sería pura especulación.

Dos de los dispositivos de recolección de aire utilizados por el equipo de investigación en CopenhagueCHRISTIAN BENDIX

La cuestión del tigre también confundió a Stoeckle, quien no trabajó en ninguno de los nuevos documentos. Él le dice a The Scientist que le hubiera gustado ver más discusión sobre las posibles razones por las que algunos animales no fueron detectados, pero en general es muy elogioso de ambos estudios del zoológico.

Cuando estás empezando, los resultados positivos son los más importantes, dice. Los negativos son menos importantes, y los resultados positivos en estos trabajos son excelentes.

Detección pasiva de plantas

Mientras tanto, la investigación sobre el eDNA de plantas en el aire está unos pasos por delante, lo que les da a los investigadores animales sugerencias sobre lo que podrían intentar a continuación. El mes pasado, el candidato a doctorado de Texas Tech University, Mark Johnson, su asesor, el ecologista Matthew Barnes, y sus colegas informaron en BMC Ecology and Evolution los resultados de un estudio en el que secuenciaron eDNA de trampas de polvo, que de forma pasiva recolectar polen, así como cualquier otra molécula en el aire, en un campo propiedad de la universidad. El equipo encontró varias especies de hierba, hongos e incluso una especie invasora llamada árbol del cielo (Ailanthus altissima) que habían sido pasadas por alto en estudios más convencionales.

El eDNA aerotransportado sigue sorprendiéndonos con la cantidad de material que hay en el medio ambiente, dice Johnson a The Scientist.

Johnson y Barnes han realizado experimentos similares antes, pero este artículo analizó los datos recopilados durante un año, lo que ofrece una nueva perspectiva sobre cómo los cambios estacionales, el clima y otros factores afectan a las especies detectadas por eDNA, lo que ofrece una nueva perspectiva sobre la dinámica de los ecosistemas.

Otros investigadores también están tratando de hacer lo mismo con el eDNA de insectos. La investigación preliminar presentada en la conferencia Ecology Across Borders del mes pasado supuestamente identificó 85 especies de insectos y algunos vertebrados a partir de eDNA en el aire.

Ver Investigadores detectan animales terrestres usando ADN en cuerpos de agua cercanos

Todos los científicos detrás del trío de artículos recientes están de acuerdo en que hay mucho trabajo por hacer para hacer de eDNA una herramienta establecida y útil para la investigación ecológica. Hemos demostrado que funciona, ahora debemos tratar de comprender algunos de los matices, dice Johnson a The Scientist. ¿Cómo afecta el viento, el clima y la altura a nuestra colección?

Saliendo del laboratorio

A medida que el campo avanza, los científicos de eDNA en el aire tienen una fuente importante de orientación: el campo de la investigación del eDNA acuático, en el que los investigadores tienen varios años de ventaja inicial. Los científicos que trabajan con eDNA acuático ya han demostrado exhaustivamente que la tecnología funciona y ahora están avanzando hacia su uso como una herramienta ecológica estándar. La investigación del eDNA en el aire lleva unos años de retraso, pero sigue una trayectoria similar, explica Johnson .

Tanto para los estudios en animales como en plantas, la siguiente etapa de la investigación consiste en tomar muestras de entornos artificiales a entornos naturales. En algunos casos, este trabajo ya está en marcha: Johnson ahora está trabajando en una investigación de seguimiento en entornos naturales que examina más de cerca variables específicas como la distancia, el clima y la altitud, y un artículo en el que usa sus trampas de polvo pasivas. recolectar eDNA de animales se está abriendo camino a través del proceso de revisión por pares.

Bohmann, Lynggaard y Clare señalan que muchas preguntas básicas siguen sin respuesta. Por ejemplo, no podrán obtener ningún tipo de resolución temporal de cuánto tiempo hace que un animal puede pasar por el área y aún ser detectado hasta que sacan su trabajo de un zoológico y lo llevan a un bosque o jungla, donde los animales deambulan libres en lugar de estar confinados. a un área. Desafortunadamente, ese tipo de investigación trae nuevos desafíos.

No podemos tapar una aspiradora de agua en la selva tropical de Madagascar, dice Bohmann a The Scientist. Y tampoco podemos hacer demasiado ruido, lo que molestaría a la vida silvestre. Es por eso que su equipo probó algunos tipos diferentes de sensores, y por eso la investigación de recolección pasiva de Johnson probablemente resultará valiosa. Queríamos algo que fuera transferible a un entorno natural, añade Bohmann.

El biólogo de la Universidad de Guelph, Robert Hanner, que no trabajó en ninguno de los estudios pero ayudó a dar forma al campo de la investigación del eDNA, dice que los organismos acuáticos La comunidad de investigación de eDNA todavía tiene muchos desafíos propios; aunque ha progresado más allá del campo del eDNA en el aire, los científicos aún no tienen todas las respuestas que necesitan para hacer prácticas las encuestas de eDNA. Por ejemplo, los ecólogos a menudo están interesados en medir la abundancia de una especie determinada en un área y, hasta ahora, los estudios de eDNA acuáticos solo detectan su presencia.

El eDNA en el aire continúa sorprendiéndonos con la cantidad de el material está en el medio ambiente.

Mark Johnson, Texas Tech University

Hay tantas advertencias, dice Hanner a The Scientist, y agrega que los dos estudios del zoológico sirven como valiosa documentos de prueba de concepto, pero que es escéptico de su utilidad práctica. Su éxito justifica un poco de optimismo cauteloso en lugar de exuberancia irracional, dice.

Al igual que el problema de Clares con el tigre del zoológico, Hanner recuerda a un investigador que trabajaba en su laboratorio y no pudo recolectar eDNA de un crustáceo del agua. en sus inmediaciones. El desafío, explica, es que el campo aún no sabe por qué sucedería eso. La explicación convencional sería que la amplificación por PCR salió mal de alguna manera. Pero también es posible, dice Hanner, que ciertos organismos eliminen menos eDNA que otros, o que los cebadores utilizados para identificarlos sean defectuosos o no puedan manejar el grado en que el eDNA tiende a fragmentarse. Por lo que él sabe, ciertos sedimentos en el agua podrían unirse al eDNA o las partículas que lo transportan, lo que impide que se recopile ese ADN en primer lugar.

Y eso es solo por nombrar algunos; Hanner señala que factores como el flujo de aire o agua, los cambios estacionales, la hora del día, la temperatura y, como examinó Johnson, la altitud, pueden desempeñar un papel en la determinación de la cantidad de eDNA que se obtiene o qué especies se detectan. Sin embargo, estos detalles a menudo no se informan en la literatura, que se ha saturado principalmente con estudios de prueba de concepto centrados en demostrar que el análisis de eDNA funciona. Eso, dice Hanner, actualmente está frenando el campo.

Aún así, muchos investigadores tienen la esperanza de que eDNA tenga la clave para comprender lo que sucede en los entornos naturales cuando los científicos no están presentes para verlo o escucharlo.

Es sorprendente lo mucho que no sabemos sobre el mundo natural, incluso para los animales familiares, le dice Stoeckle a The Scientist. Estas nuevas tecnologías nos ayudarán a comprenderlo mejor y, con suerte, a ser mejores administradores del medio ambiente. Ese es el objetivo final y, en ese sentido, soy optimista.