Al final En la década de 1980, en un centro de investigación federal en Pensacola, Florida, Tamar Barkay utilizó barro de una manera que resultó revolucionaria y que nunca hubiera imaginado en ese momento: una versión tosca de una técnica que ahora está revolucionando muchos campos científicos. Barkay había recolectado varias muestras de lodo: una de un embalse tierra adentro, otra de un pantano salobre y una tercera de un pantano de agua salada de poca altura. Puso estas muestras de sedimento en botellas de vidrio en el laboratorio y luego añadió mercurio, creando lo que equivalía a un lodo tóxico.

En ese momento, Barkay trabajaba para la Agencia de Protección Ambiental y quería saber cómo los microorganismos del lodo interactúan con el mercurio, un contaminante industrial, lo que requería comprender todos los organismos en un entorno determinado, no sólo la pequeña porción que podría cultivarse con éxito en placas de Petri en el laboratorio. Pero la pregunta subyacente era tan básica que sigue siendo una de esas preguntas fundamentales en toda la biología. Como dijo Barkay, que ahora está jubilado, en una entrevista reciente desde Boulder, Colorado: “¿Quién está ahí?” Y, no menos importante, añadió: “¿Qué están haciendo allí?”

Estas preguntas siguen siendo relevantes hoy en día, formuladas por ecologistas, funcionarios de salud pública, biólogos conservacionistas, profesionales forenses y quienes estudian la evolución y los entornos antiguos, y llevan a los epidemiólogos y biólogos a rincones remotos del mundo.

1987 Barkay y sus colegas publicaron en el Revista de métodos microbiológicos describió un método-"Extracción directa de ADN ambiental": eso permitiría a los investigadores realizar un censo. Era una herramienta práctica, aunque bastante complicada, para detectar quién estaba ahí fuera. Barkay lo utilizó durante el resto de su carrera.

Hoy en día, el estudio se cita como un vistazo temprano al ADNe, o ADN ambiental, una forma relativamente económica, generalizada y potencialmente automatizada de observar la diversidad y distribución de la vida. A diferencia de las técnicas anteriores, que podían identificar el ADN de, por ejemplo, un solo organismo, el método también recoge la nube arremolinada de otro material genético que lo rodea. En los últimos años, el campo ha crecido significativamente. "Tiene su propia revista", dijo Eske Willerslev, genetista evolutiva de la Universidad de Copenhague. “Tiene su propia sociedad, la sociedad científica. Se ha convertido en un campo establecido”.

El eDNA sirve como herramienta de vigilancia y ofrece a los investigadores un medio para detectar lo aparentemente indetectable. Al tomar muestras de ADNe, o mezclas de material genético (es decir, fragmentos de ADN, el modelo de la vida) en agua, suelo, núcleos de hielo, hisopos de algodón o prácticamente cualquier entorno imaginable, incluso el aire, ahora es posible buscar un organismo específico o reunir una instantánea de todos los organismos en un lugar determinado. En lugar de configurar una cámara para ver quién cruza la playa por la noche, el eDNA extrae esa información de las huellas en la arena. "Todos somos raros, ¿verdad?" dijo Robert Hanner, biólogo de la Universidad de Guelph en Canadá. "Hay trozos de desechos celulares que se desprenden todo el tiempo".

Como método para confirmar la presencia de algo, el eDNA no es infalible. Por ejemplo, es posible que el organismo detectado en el ADNe no viva en el lugar donde se recolectó la muestra; Hanner dio el ejemplo de un pájaro que pasaba, una garza, que se comió una salamandra y luego expulsó parte de su ADN, lo que podría ser una de las razones por las que las señales del anfibio están presentes en algunas áreas donde nunca se han encontrado físicamente.

Aún así, el eDNA tiene la capacidad de ayudar a detectar rastros genéticos, algunos de los cuales se desprenden en el medio ambiente, ofreciendo una forma emocionante (y potencialmente escalofriante) de recopilar información sobre los organismos, incluidos los humanos, mientras realizan sus actividades cotidianas.

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el conceptual La base del ADNe (pronunciado EE-DEE-EN-AY, no ED-NUH) se remonta a cien años atrás, antes del advenimiento de la llamada biología molecular, y a menudo se atribuye a Edmond Locard, un criminólogo francés que trabajó en los primeros años de la historia. siglo 20. En una serie de papeles Publicado en 1929, Locard propuso un principio: cada contacto deja una huella. En esencia, el eDNA lleva el principio de Locard al siglo XXI.

Durante las primeras décadas, el campo que se convirtió en el eDNA (incluido el trabajo de Barkay en la década de 1980) se centró principalmente en la vida microbiana. Si analizamos su evolución en retrospectiva, el eDNA pareció tardar en salir del proverbial barro.

No fue hasta 2003 que el método resultó ser un ecosistema desaparecido. Dirigido por Willerslev, el estudio de 2003 extrajo ADN antiguo de menos de una cucharadita de sedimento, demostrando por primera vez la viabilidad de detectar organismos más grandes con la técnica, incluidas plantas y mamuts lanudos. En el mismo estudio, los sedimentos recogidos en una cueva de Nueva Zelanda (que, notablemente, no estaba congelada) revelaron un ave extinta: el moa. Lo que quizás sea más notable es que estas aplicaciones para estudiar el ADN antiguo surgieron de una cantidad prodigiosa de estiércol arrojada al suelo hace cientos de miles de años.

A Willerslev se le había ocurrido la idea unos años antes, mientras contemplaba un montón de estiércol más reciente: entre su maestría y su doctorado. En Copenhague, se encontró con cabos sueltos, luchando por obtener huesos, restos esqueléticos u otros especímenes físicos para estudiar. Pero un otoño, miró por la ventana a “un perro cagando en la calle”, recordó. La escena lo llevó a pensar en el ADN de las heces y en cómo se las llevaba la lluvia sin dejar rastro visible. Pero Willerslev se preguntó: “¿Podría ser que el ADN pudiera sobrevivir? Eso es lo que luego configuré para tratar de averiguarlo”.

El artículo demostró la notable persistencia del ADN, que, según dijo, sobrevive en el medio ambiente mucho más tiempo de lo que sugerían estimaciones anteriores. Desde entonces, Willerslev ha analizado el ADN electrónico en la tundra helada de la actual Groenlandia, que data de hace 2 millones de años, y está trabajando en muestras de Angkor Wat, el enorme complejo de templos en Camboya que se cree que fue construido en el siglo XII. "Debería ser la peor preservación de ADN que puedas imaginar", dijo. "Quiero decir, hace calor y humedad".

Pero, dijo, "podemos extraer el ADN".

Willerslev no es ahora el único que ve una herramienta potencial con aplicaciones aparentemente ilimitadas, especialmente ahora que los avances permiten a los investigadores secuenciar y analizar mayores cantidades de información genética. "Es una ventana abierta para muchas, muchas cosas", dijo, "y muchas más de las que puedo imaginar, estoy seguro". No se trataba sólo de mamuts antiguos; El ADNe podría revelar los organismos actuales que se esconden entre nosotros.

Los científicos utilizan el ADNe para rastrear criaturas de todas las formas y tamaños, ya sea una sola especie, como pequeños trozos de algas invasoras, anguilas en el lago Ness o un topo ciego que habita en la arena y que no se ha visto en casi 90 años; Los investigadores toman muestras de comunidades enteras, por ejemplo, observando el ADNe que se encuentra en las flores silvestres o el ADNe que sopla con el viento como indicador de todas las aves, abejas y otros animales polinizadores visitantes.

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El próximo El salto evolutivo en la historia del eDNA tomó forma en torno a la búsqueda de organismos que actualmente viven en los ambientes acuáticos de la Tierra. En 2008, un apareció el titular: “El agua retiene la memoria del ADN de especies ocultas”. No provino del tabloide del supermercado, sino de la respetada publicación comercial Chemistry World, que describe el trabajo del investigador francés Pierre Taberlet y sus colegas. El grupo buscó ranas toro de color marrón y verde, que pueden pesar más de 2 libras y, debido a que derriban todo lo que encuentran a su paso, se consideran una especie invasora en Europa occidental. La búsqueda de ranas toro generalmente involucraba a herpetólogos expertos que escaneaban las costas con binoculares y luego regresaban después del atardecer para escuchar sus llamadas. El papel 2008 sugirió una manera más fácil: una encuesta que requería mucho menos personal.

"Se podría obtener ADN de esa especie directamente del agua", dijo Philip Thomsen, biólogo de la Universidad de Aarhus (que no participó en el estudio). "Y eso realmente impulsó el campo del ADN ambiental".

Las ranas pueden ser difíciles de detectar y, por supuesto, no son la única especie que elude la detección más tradicional, sobre el terreno. Thomsen comenzó a trabajar en otro organismo que confunde notoriamente la medición: Pescado. A veces se dice que contar peces se parece vagamente a contar árboles, excepto que deambulan libremente, en lugares oscuros, y los contadores de peces hacen su cuenta con los ojos vendados. El ADN ambiental se quitó la venda. Uno una estrategia SEO para aparecer en las búsquedas de Google. de la literatura publicada sobre la tecnología, aunque incluía salvedades, incluidas detecciones imperfectas e imprecisas o detalles sobre la abundancia, encontró que los estudios de ADNe en peces y anfibios de agua dulce y marinos superaban en número a sus homólogos terrestres en una proporción de 7:1.

En 2011, Thomsen, entonces Ph.D. candidato en el laboratorio de Willerslev, publicó un demostrando que el método podría detectar raras y especies amenazadas, como las que abundan poco en Europa, incluidos anfibios, mamíferos como la nutria, crustáceos y libélulas. "Demostramos que sólo un vaso de agua era suficiente para detectar estos organismos", dijo. Undark. Estaba claro: el método tenía aplicaciones directas en biología de la conservación para la detección y seguimiento de especies.

En 2012, la revista Molecular Ecology publicó un número especial sobre eDNA, y Taberlet y varios colegas describieron una definición práctica de ADNe como cualquier ADN aislado de muestras ambientales. El método describe dos enfoques similares pero ligeramente diferentes: Se puede responder a una pregunta de sí o no: ¿Está presente o no la rana toro (o lo que sea)? Lo hace escaneando el código de barras metafórico, secuencias cortas de ADN que son particulares de una especie o familia, llamadas cebadores; El escáner de caja es una técnica común llamada reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa en tiempo real o qPCR.

Otro enfoque, comúnmente conocido como metacódigo de barras de ADN, esencialmente escupe una lista de organismos presentes en una muestra determinada. "En cierto modo haces la pregunta, ¿qué hay aquí?" Dijo Thomsen. “Y luego obtienes todas las cosas conocidas, pero también algunas sorpresas, ¿verdad? Porque había algunas especies que no sabías que en realidad estaban presentes”.

Uno pretende encontrar la aguja en un pajar; el otro intenta revelar todo el pajar. El ADNe difiere de las técnicas de muestreo más tradicionales en las que los organismos, como los peces, se capturan, manipulan, estresan y, en ocasiones, matan. Los datos obtenidos son objetivos; está estandarizado e imparcial.

"El ADNe, de una forma u otra, seguirá siendo una de las metodologías importantes en las ciencias biológicas", afirmó Mehrdad Hajibabaei, biólogo molecular de la Universidad de Guelph, pionero del método de metacódigo de barras y quien trazado pescar a unos 9,800 pies bajo el mar de Labrador. “Todos los días veo surgir algo que no se me ocurrió”.

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En los últimos años, El campo del eDNA se ha ampliado. La sensibilidad del método permite a los investigadores tomar muestras de entornos que antes estaban fuera de su alcance, por ejemplo, capturando eDNA del aire, un enfoque que resalta las promesas del eDNA y sus posibles peligros. El ADNe en el aire parece circular en un cinturón de polvo global, lo que sugiere su abundancia y omnipresencia, y puede filtrarse y analizarse para monitorear plantas y animales terrestres. Pero el ADNe que se mueve con el viento puede provocar una contaminación involuntaria.

En 2019, Thomsen, por ejemplo, Dejó dos botellas de agua ultrapura. al aire libre: uno en un prado y el otro cerca de un puerto marino. Después de unas horas, el agua contenía ADNe detectable asociado con aves y arenques, lo que sugiere que rastros de especies no terrestres se asentaron en las muestras; los organismos obviamente no habitaban las botellas. "Así que debe venir del aire", dijo Thomsen a Undark. Los resultados sugieren un problema doble: por un lado, los rastros de evidencia pueden moverse, donde dos organismos que entran en contacto pueden transportar el ADN del otro, y sólo porque cierto ADN esté presente no significa que la especie esté realmente allí. .

Además, tampoco hay garantía de que la presencia de eDNA indique que una especie está viva, y aún se necesitan estudios de campo, dijo, para comprender el éxito reproductivo de una especie, su salud o el estado de su hábitat. Hasta ahora, entonces, el eDNA no reemplaza necesariamente las observaciones o colecciones físicas. En otro estudio, en el que el grupo de Thomsen recopiló eADN En flores para buscar aves polinizadoras, más de la mitad del ADNe informado en el artículo procedía de humanos, una contaminación que potencialmente enturbió los resultados y dificultó la detección de los polinizadores en cuestión.

De manera similar, en mayo de 2023, un equipo de la Universidad de Florida que previamente estudió tortugas marinas a partir de los rastros de ADNe que dejan mientras se arrastran por la playa. publicado un artículo que reveló ADN humano. Las muestras estaban lo suficientemente intactas como para detectar mutaciones clave que algún día podrían usarse para identificar a personas individuales, lo que sugiere que la vigilancia biológica también planteó preguntas sin respuesta sobre las pruebas éticas en humanos y el consentimiento informado. Si el eDNA sirvió como una red de cerco, entonces barrió indiscriminadamente información sobre la biodiversidad e inevitablemente terminó, como lo expresó el artículo del equipo de la UF, en "captura incidental genética humana".

Si bien los problemas de privacidad relacionados con las huellas en la arena, hasta ahora, parecen existir principalmente en el ámbito de lo hipotético, el uso del eDNA en litigios legales relacionados con la vida silvestre no solo es posible sino que ya es una realidad. También se utiliza en investigaciones criminales: en 2021, por ejemplo, un grupo de investigadores chinos reportaron El ADN electrónico recogido de los pantalones de un presunto asesino había revelado, contrariamente a sus afirmaciones, que probablemente había estado en el canal fangoso donde se había encontrado un cadáver.

Las preocupaciones sobre el ADNe fuera de objetivo, en términos de precisión y su alcance en la medicina humana y la ciencia forense, resaltan otra deficiencia mucho más amplia. Como Hanner, de la Universidad de Guelph, describió el problema: “Nuestros marcos regulatorios y políticas tienden a estar por lo menos una década o más por detrás de la ciencia”.

Hoy en día, hay innumerables posibles aplicaciones regulatorias para el monitoreo de la calidad del agua, la evaluación del impacto ambiental (incluidos los parques eólicos marinos y la perforación de petróleo y gas para un mayor desarrollo de centros comerciales comunes y corrientes), el manejo de especies y la aplicación de la Ley de Especies en Peligro de Extinción. en un caso de la corte civil Presentado en 2021, el Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE. UU. evaluó si existía un pez en peligro en una cuenca en particular, utilizando eDNA y un muestreo más tradicional, y descubrió que no era así. Los tribunales dijeron que la falta de protección de la agencia para esa cuenca estaba justificada. La cuestión no parece ser si eDNA resistió ante los tribunales; lo hizo. "Pero realmente no se puede decir que algo no exista en un entorno", dijo Hajibabaei.

El recientemente destacó La cuestión de la validación: el ADNe infiere un resultado, pero necesita criterios más establecidos para confirmar que estos resultados son realmente ciertos (que un organismo está realmente presente o ausente, o en una determinada cantidad). A serie de reuniones especiales Los científicos trabajaron para abordar estas cuestiones de estandarización, que, según dijo, incluyen protocolos, cadena de custodia y criterios para la generación y análisis de datos. en un una estrategia SEO para aparecer en las búsquedas de Google. Al analizar los estudios de ADNe, Hajibabaei y sus colegas descubrieron que el campo está saturado de estudios únicos o de prueba de concepto que intentan demostrar que los análisis de ADNe funcionan. La investigación sigue estando abrumadoramente aislada en el mundo académico.

Como tal, los profesionales que esperan utilizar eDNA en contextos aplicados a veces piden la luna. ¿Existe la especie en determinado lugar? Por ejemplo, dijo Hajibabaei, alguien le preguntó recientemente si podía refutar totalmente la presencia de un parásito, demostrando que no había aparecido en una granja acuícola. “Y yo digo: 'Mira, no hay manera de que pueda decir que es 100 por ciento'”.

Incluso con un marco analítico riguroso, dijo, los problemas con los falsos negativos y los falsos positivos son particularmente difíciles de resolver sin hacer una de las cosas que el eDNA evita: la recolección más tradicional y la inspección manual. A pesar de las limitaciones, un puñado de empresas ya están empezando a comercializar la técnica. Por ejemplo, ¿las aplicaciones futuras podrían ayudar a una empresa a confirmar si el puente que está construyendo dañará a algún animal local en peligro de extinción? ¿Una empresa de acuicultura determina si las aguas donde cultiva sus peces están infestadas de piojos de mar? o un terrateniente que siente curiosidad por saber si las nuevas plantaciones atraen a una gama más amplia de abejas nativas.

El problema es bastante fundamental dada la reputación del eDNA como una forma indirecta de detectar lo indetectable, o como una solución alternativa en contextos en los que simplemente no es posible sumergir una red y capturar todos los organismos del mar.

"Es muy difícil validar algunos de estos escenarios", afirmó Hajibabaei. "Y esa es básicamente la naturaleza de la bestia".

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eADN abre muchas posibilidades, respondiendo a una pregunta planteada originalmente por Barkay (y sin duda muchos otros): "¿Quién está ahí?" Pero cada vez más proporciona pistas que llegan a la pregunta "¿Qué están haciendo allí?" pregunta también. Elizabeth Clare, profesora de biología en la Universidad de York en Toronto, estudia la biodiversidad. Dijo que había observado murciélagos durmiendo en un lugar durante el día, pero que, al recolectar ADN electrónico en el aire, también podría inferir dónde socializan los murciélagos durante la noche. En otro estudio , ADN electrónico de un perro domesticado apareció en heces de zorro rojo. Los dos cánidos no parecían estar entrecruzándose, pero los investigadores se preguntaron si su cercanía había llevado a confusión o contaminación cruzada, antes de decidirse finalmente por otra explicación: los zorros aparentemente comían excremento de perro.

Entonces, si bien el ADNe no revela inherentemente el comportamiento animal, según algunas versiones, el campo está avanzando hacia el suministro de pistas sobre lo que un organismo podría estar haciendo y cómo interactúa con otras especies en un entorno determinado: recopilar información sobre la salud sin observar directamente. comportamiento.

Tomemos otra posibilidad: el biomonitoreo a gran escala. De hecho, durante los últimos tres años, más personas que nunca han participado en un audaz experimento que ya está en marcha: la recolección de muestras ambientales de alcantarillas públicas para rastrear partículas virales de Covid-19 y otros organismos que infectan a los humanos. Técnicamente, el muestreo de aguas residuales implica un enfoque relacionado llamado eRNA, porque algunos virus sólo tienen información genética almacenada en forma de ARN, en lugar de ADN. Aún así, se aplican los mismos principios. (Los estudios también sugieren que el ARN, que determina qué proteínas expresa un organismo, podría usarse para evaluar la salud del ecosistema; los organismos sanos pueden expresar proteínas completamente diferentes en comparación con los que están estresados). Además de monitorear la prevalencia de enfermedades, las aguas residuales La vigilancia demuestra cómo una infraestructura existente diseñada para hacer una cosa (las alcantarillas fueron diseñadas para recolectar desechos) podría convertirse en una poderosa herramienta para estudiar otra cosa, como detectando patógenos.

Clare tiene la costumbre de hacer precisamente eso. "Personalmente soy una de esas personas que tiende a utilizar herramientas, no de la forma prevista", dijo. Clare fue uno de los investigadores que notó una brecha en la investigación: se realizó mucho menos trabajo de ADNe en organismos terrestres. Entonces comenzó a trabajar con lo que podría llamarse un filtro natural, es decir, gusanos que chupan la sangre de los mamíferos. “Es mucho más fácil recolectar 1,000 sanguijuelas que encontrar los animales. Pero tienen sangre en su interior y la sangre lleva el ADN de los animales con los que interactuaron”, dijo. "Es como tener un grupo de asistentes de campo realizando levantamientos por usted". Luego, uno de sus alumnos pensó lo mismo con respecto a los escarabajos peloteros, que son aún más fáciles de recolectar.

Clare ahora encabeza una nueva aplicación para otro sistema de monitoreo continuo, aprovechando los monitores de calidad del aire existentes que miden contaminantes, como partículas finas, y al mismo tiempo aspiran eDNA del cielo. A finales de 2023, solo tenía un pequeño conjunto de muestras, pero ya había descubierto que, como subproducto del monitoreo rutinario de la calidad del aire, estas herramientas preexistentes también servían como filtros para el material que busca. Era, más o menos, una red transcontinental regulada que recolectaba muestras de manera muy consistente durante largos períodos de tiempo. "Luego se podría utilizar para crear series temporales y datos de alta resolución en continentes enteros", afirmó.

Sólo en el Reino Unido, dijo Clare, se estima que hay 150 sitios diferentes aspirar una cantidad conocida de aire, cada semana, durante todo el año, lo que supone unas 8,000 mediciones al año. Clare y sus coautores analizaron recientemente un pequeño subconjunto de estos (17 mediciones de dos ubicaciones) y pudieron identificar más de 180 grupos taxonómicos diferentes, más de 80 tipos diferentes de plantas y hongos, 26 especies diferentes de mamíferos, 34 diferentes especies de aves, además de al menos 35 tipos de insectos.

Ciertamente, existen otros sitios de investigación ecológica a largo plazo. Estados Unidos tiene una red de instalaciones de este tipo. Pero su alcance de estudio no incluye una infraestructura distribuida globalmente que mida la biodiversidad constantemente, incluido el paso de las aves migratorias hasta la expansión y contracción de las especies con el cambio climático. Podría decirse que el eDNA probablemente complementará, en lugar de suplantar, la red distribuida de personas que registran observaciones tempoespaciales, de alta resolución y en tiempo real en sitios web como eBird o iNaturalist. Como una imagen borrosa de una galaxia completamente nueva que aparece a la vista, la resolución actual sigue siendo baja.

"Es una especie de sistema de recolección generalizado, algo prácticamente inaudito en la ciencia de la biodiversidad", dijo Clare. Se refería a la capacidad de extraer señales de ADNe de la nada, pero el sentimiento se refería al método en su conjunto: "No es perfecto", dijo, "pero no hay nada más que realmente lo haga".

Este artículo se publicó originalmente el Undark. Leer el articulo original.

Crédito de la imagen: Oscuro + DALL-E

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• Fuente: https://singularityhub.com/2024/04/02/environmental-dna-is-everywhere-scientists-are-gathering-it-all/