Miljø-DNA er overalt. Forskere samler det hele.

Miljø-DNA er overalt. Forskere samler det hele.

I det sene 1980'erne, på en føderal forskningsfacilitet i Pensacola, Florida, brugte Tamar Barkay mudder på en måde, der viste sig at være revolutionerende på en måde, hun aldrig kunne have forestillet sig på det tidspunkt: en rå version af en teknik, der nu ryster op i mange videnskabelige områder. Barkay havde indsamlet flere prøver af mudder - en fra et indre reservoir, en anden fra en brak bayou og en tredje fra en lavtliggende saltvandssump. Hun lagde disse sedimentprøver i glasflasker i laboratoriet og tilføjede derefter kviksølv, hvilket skabte, hvad der svarede til giftigt slam.

På det tidspunkt arbejdede Barkay for Environmental Protection Agency, og hun ville vide, hvordan mikroorganismer i mudder interagerer med kviksølv, en industriel forurening, som krævede en forståelse af alle organismerne i et givet miljø - ikke kun den lille del, der med succes kunne dyrkes i petriskåle i laboratoriet. Men det underliggende spørgsmål var så grundlæggende, at det forbliver et af de grundlæggende drivende spørgsmål på tværs af biologi. Som Barkay, der nu er pensioneret, udtrykte det i et nyligt interview fra Boulder, Colorado: "Hvem er der?" Og lige så vigtigt tilføjede hun: "Hvad laver de der?"

Sådanne spørgsmål er stadig relevante i dag, stillet af økologer, offentlige sundhedsembedsmænd, naturbevaringsbiologer, retsmedicinere og dem, der studerer evolution og gamle miljøer - og de driver skolæderepidemiologer og biologer til fjerne afkroge af verden.

Den 1987 papir Barkay og hendes kolleger publicerede i Journal of Microbiological Methods skitserede en metode"Direct Environmental DNA Extraction" - det ville give forskere mulighed for at tage en folketælling. Det var et praktisk værktøj, omend et ret rodet, til at opdage, hvem der var derude. Barkay brugte det i resten af ​​sin karriere.

I dag bliver undersøgelsen citeret som et tidligt glimt af eDNA eller miljø-DNA, en relativt billig, udbredt, potentielt automatiseret måde at observere mangfoldigheden og distributionen af ​​liv. I modsætning til tidligere teknikker, som kunne identificere DNA fra for eksempel en enkelt organisme, indsamler metoden også den hvirvlende sky af andet genetisk materiale, der omgiver den. De seneste år er feltet vokset markant. "Det har sit eget tidsskrift," siger Eske Willerslev, der er evolutionær genetiker ved Københavns Universitet. "Det har sit eget samfund, videnskabelige samfund. Det er blevet et etableret felt.”

"Vi er alle skæve, ikke? Der er stykker af cellulært affald, der smuldrer af hele tiden."

eDNA fungerer som et overvågningsværktøj, der tilbyder forskere et middel til at opdage det tilsyneladende uopdagelige. Ved at tage prøver af eDNA eller blandinger af genetisk materiale – det vil sige fragmenter af DNA, livets plan – i vand, jord, iskerner, vatpinde eller praktisk talt ethvert tænkeligt miljø, selv tynd luft, er det nu muligt at søge efter en specifik organisme eller samle et øjebliksbillede af alle organismerne på et givent sted. I stedet for at sætte et kamera op for at se, hvem der krydser stranden om natten, trækker eDNA den information ud af fodspor i sandet. "Vi er alle skæve, ikke?" sagde Robert Hanner, biolog ved University of Guelph i Canada. "Der er stykker af cellulært affald, der smuldrer af hele tiden."

Som en metode til at bekræfte tilstedeværelsen af ​​noget, er eDNA ikke fejlsikker. For eksempel lever organismen, der er påvist i eDNA, muligvis ikke på det sted, hvor prøven blev indsamlet; Hanner gav eksemplet med en forbipasserende fugl, en hejre, der spiste en salamander og derefter tæskede noget af dens DNA ud, hvilket kunne være en af ​​årsagerne til, at paddernes signaler er til stede i nogle områder, hvor de aldrig er blevet fysisk fundet.

Alligevel har eDNA evnen til at hjælpe med at finde genetiske spor, hvoraf nogle smuldrer af i miljøet, og tilbyder en spændende – og potentielt afkølende – måde at indsamle information om organismer, inklusive mennesker, mens de går i gang med deres daglige forretninger.

...

Det konceptuelle grundlaget for eDNA – udtales EE-DEE-EN-AY, ikke ED-NUH – går hundrede år tilbage, før fremkomsten af ​​den såkaldte molekylærbiologi, og det tilskrives ofte Edmond Locard, en fransk kriminolog, der arbejdede i den tidlige tid. 20. århundrede. I en række af papirer udgivet i 1929, foreslog Locard et princip: Hver kontakt efterlader et spor. I bund og grund bringer eDNA Locards princip til det 21. århundrede.

I de første årtier fokuserede det felt, der blev til eDNA - Barkays arbejde i 1980'erne inkluderet - stort set på mikrobielt liv. Når man ser tilbage på dets udvikling, så eDNA ud til at være langsom til at slå sig ud af det legendariske mudder.

Det var først i 2003, at metoden dukkede op forsvundet økosystem. Ledet af Willerslev trak undersøgelsen fra 2003 ældgammelt DNA fra mindre end en teskefuld sediment, hvilket for første gang demonstrerede muligheden for at opdage større organismer med teknikken, herunder planter og uldmammutter. I samme undersøgelse afslørede sediment indsamlet i en New Zealandsk hule (som især ikke var frosset) en uddød fugl: moaen. Det, der måske er mest bemærkelsesværdigt, er, at disse applikationer til at studere ældgammelt DNA stammede fra en enorm mængde møg, der blev tabt på jorden for hundredtusinder af år siden.

Willerslev var først kommet på ideen et par år tidligere, mens han overvejede en nyere bunke møg: Ind i mellem sin kandidatgrad og ph.d. i København befandt han sig i løse ender og kæmpede for at skaffe knogler, skeletrester eller andre fysiske prøver at studere. Men et efterår stirrede han ud ad vinduet på "en hund, der tudede på gaden," huskede han. Scenen fik ham til at tænke på DNA'et i afføringen, og hvordan det skyllede væk med regn, uden at efterlade nogen synlige spor. Men Willerslev undrede sig: "Kunne det være, at DNA'et kunne overleve?" Det var det, jeg så satte op for at prøve at finde ud af.”

Artiklen demonstrerede den bemærkelsesværdige persistens af DNA, som, sagde han, overlever i miljøet i meget længere tid end tidligere skøn antydede. Willerslev har siden analyseret eDNA i frossen tundra i nutidens Grønland, der går tilbage for 2 millioner år siden, og han arbejder på prøver fra Angkor Wat, det enorme tempelkompleks i Cambodja, der menes at være bygget i det 12. århundrede. "Det burde være den værste DNA-bevaring, du kan forestille dig," sagde han. "Jeg mener, det er varmt og fugtigt."

Men, sagde han, "vi kan få DNA ud."

eDNA har evnen til at hjælpe med at finde ud af genetiske spor og tilbyder en spændende – og potentielt afslappende – måde at indsamle information om organismer, mens de går i gang med deres daglige forretninger.

Willerslev er nu næppe alene om at se et potentielt værktøj med tilsyneladende grænseløse anvendelser - især nu, hvor fremskridt gør det muligt for forskere at sekventere og analysere større mængder genetisk information. "Det er et åbent vindue for mange, mange ting," sagde han, "og meget mere, end jeg kan komme i tanke om, er jeg sikker på." Det var ikke bare gamle mammutter? eDNA kunne afsløre nutidens organismer, der gemmer sig i vores midte.

Forskere bruger eDNA til at spore væsner i alle former og størrelser, det være sig en enkelt art, såsom bittesmå bidder af invasive alger, ål i Loch Ness eller en synet sand-boende muldvarp, der ikke er set i næsten 90 år? forskere prøver hele samfund, f.eks. ved at se på eDNA fundet på vilde blomsterblomster eller eDNA, der blæser i vinden som en proxy for alle de besøgende fugle og bier og andre dyrebestøvere.

...

Den næste evolutionære spring fremad i eDNA's historie tog form omkring søgen efter organismer, der i øjeblikket lever i jordens vandmiljøer. I 2008 blev en overskriften dukkede op: "Vand bevarer DNA-hukommelsen om skjulte arter." Det kom ikke fra supermarkedstabloiden, men den respekterede fagpublikation Chemistry World, der beskriver arbejde af den franske forsker Pierre Taberlet og hans kolleger. Gruppen opsøgte brun-og-grønne tyrefrøer, som kan veje mere end 2 pund, og fordi de mejer alt på deres vej, betragtes de som en invasiv art i Vesteuropa. At finde tyrefrøer involverede normalt dygtige herpetologer, der scannede kystlinjer med en kikkert, som så vendte tilbage efter solnedgang for at lytte efter deres opkald. Det 2008 papir foreslog en nemmere måde - en undersøgelse, der krævede meget mindre personale.

"Man kunne få DNA fra den art direkte op af vandet," siger Philip Thomsen, biolog ved Aarhus Universitet (som ikke var involveret i undersøgelsen). "Og det kickstartede virkelig feltet af miljø-DNA."

Frøer kan være svære at opdage, og de er naturligvis ikke den eneste art, der unddrager sig mere traditionel, støvler-på-jorden-detektion. Thomsen begyndte at arbejde på en anden organisme, der notorisk forveksler måling: fisk. Det siges nogle gange at tælle fisk vagt ligner tælletræer - bortset fra at de er fritgående på mørke steder, og fisketællere gør deres mål, mens de har bind for øjnene. Miljø-DNA tabte bind for øjnene. En gennemgå af udgivet litteratur om teknologien – selvom den kom med forbehold, herunder ufuldkomne og upræcise påvisninger eller detaljer om overflod – fandt ud af, at eDNA-undersøgelser på ferskvands- og havfisk og padder var i undertal i forhold til terrestriske modstykker 7:1.

I 2011 blev Thomsen, dengang ph.d. kandidat i Willerslevs laboratorium, udgivet en papir demonstrerer, at metoden kunne detektere sjældne og truede arter, såsom dem i lav overflod i Europa, herunder padder, pattedyr som odder, krebsdyr og guldsmede. "Vi viste, at kun et shotglas vand virkelig var nok til at opdage disse organismer," fortalte han Undark. Det var klart: Metoden havde direkte anvendelser inden for bevaringsbiologi til påvisning og overvågning af arter.

I 2012 udgav tidsskriftet Molecular Ecology et særligt nummer om eDNA, og Taberlet og flere kolleger skitserede en arbejdsdefinition af eDNA som ethvert DNA isoleret fra miljøprøver. Metoden beskrev to lignende, men lidt forskellige tilgange: Man kan svare på et ja eller nej-spørgsmål: Er tyrefrøen (eller hvad det nu er) til stede eller ej? Det gør den ved at scanne den metaforiske stregkode, korte DNA-sekvenser, der er særlige for en art eller familie, kaldet primere; kassescanneren er en almindelig teknik kaldet kvantitativ realtidspolymerasekædereaktion eller qPCR.

Forskere bruger eDNA til at spore væsner i alle former og størrelser, det være sig bittesmå bidder af invasive alger, ål i Loch Ness eller en synet muldvarp i sand, der ikke er set i næsten 90 år.

En anden tilgang, almindeligvis kendt som DNA-metabarcoding, spytter i det væsentlige en liste ud af organismer, der er til stede i en given prøve. "Du stiller ligesom spørgsmålet, hvad er her?" sagde Thomsen. "Og så får du alle de kendte ting, men du får også nogle overraskelser, ikke? For der var nogle arter, som du ikke vidste var til stede.

Man sigter efter at finde nålen i en høstak; den anden forsøger at afsløre hele høstakken. eDNA adskiller sig fra mere traditionelle prøvetagningsteknikker, hvor organismer, som fisk, fanges, manipuleres, stresses og nogle gange dræbes. De opnåede data er objektive; det er standardiseret og upartisk.

"eDNA, på den ene eller den anden måde, vil forblive som en af ​​de vigtige metoder inden for biologiske videnskaber," sagde Mehrdad Hajibabaei, en molekylærbiolog ved University of Guelph, som var banebrydende for metabarcoding-tilgangen, og som spores fisk omkring 9,800 fod under Labradorhavet. "Hver dag ser jeg noget boble op, som ikke faldt mig ind."

...

i de seneste år, området for eDNA er blevet udvidet. Metodens følsomhed gør det muligt for forskere at prøve tidligere ude af rækkevidde miljøer, for eksempel ved at fange eDNA fra luften - en tilgang, der fremhæver eDNA's løfter og dets potentielle faldgruber. Luftbåren eDNA ser ud til at cirkulere på et globalt støvbælte, hvilket tyder på dets overflod og allestedsnærværelse, og det kan filtreres og analyseres for at overvåge planter og landdyr. Men eDNA, der blæser i vinden, kan føre til utilsigtet kontaminering.

I 2019 har Thomsen f.eks. efterlod to flasker ultrarent vand ude i det fri - den ene i en græsmark og den anden nær en havhavn. Efter et par timer indeholdt vandet påviselig eDNA forbundet med fugle og sild, hvilket tyder på, at spor af ikke-terrestriske arter satte sig i prøverne; organismerne beboede åbenbart ikke flaskerne. "Så det skal komme fra luften," sagde Thomsen til Undark. Resultaterne tyder på et dobbelt problem: For det ene kan sporbeviser bevæge sig rundt, hvor to organismer, der kommer i kontakt, så kan samle sig rundt om den andens DNA, og bare fordi bestemt DNA er til stede, betyder det ikke, at arten faktisk er der .

Desuden er der heller ingen garanti for, at tilstedeværelsen af ​​eDNA indikerer, at en art er i live, og feltundersøgelser er stadig nødvendige, sagde han, for at forstå en arts ynglesucces, dens sundhed eller status for dens habitat. Indtil videre erstatter eDNA altså ikke nødvendigvis fysiske observationer eller samlinger. I en anden undersøgelse, hvor Thomsens gruppe samlede Edna på blomster for at lede efter bestøvende fugle, kom mere end halvdelen af ​​det eDNA, der blev rapporteret i avisen, fra mennesker, en forurening, der potentielt mudrede resultaterne og gjorde det sværere at opdage de pågældende bestøvere.

Tilsvarende i maj 2023, et team fra University of Florida, der tidligere studerede havskildpadder ved hjælp af eDNA-spor, da de kravlede langs stranden offentliggjort et papir, der viste menneskets DNA. Prøverne var intakte nok til at detektere nøglemutationer, der en dag kan bruges til at identificere individuelle mennesker, hvilket tyder på, at den biologiske overvågning også rejste ubesvarede spørgsmål om etisk test på mennesker og informeret samtykke. Hvis eDNA fungerede som et vodnet, så fejede det vilkårligt information op om biodiversitet og endte uundgåeligt med, som UF-holdets papir sagde det, "menneskelig genetisk bifangst."

Mens privatlivsproblemerne omkring fodspor i sandet indtil videre ser ud til at eksistere mest i det hypotetiske område, er brugen af ​​eDNA i juridiske retssager vedrørende dyreliv ikke kun mulig, men allerede en realitet. Det bliver også brugt i kriminelle efterforskninger: I 2021, for eksempel, en gruppe kinesiske forskere rapporteret at eDNA indsamlet fra en formodet morders bukser havde, i modsætning til hans påstande, afsløret, at han sandsynligvis havde været i den mudrede kanal, hvor et dødt lig var blevet fundet.

Bekymringerne om off-target eDNA, hvad angår nøjagtighed og dets rækkevidde til human medicin og retsmedicin, fremhæver en anden, meget bredere, mangel. Som Hanner ved University of Guelph beskrev problemet: "Vores lovgivningsmæssige rammer og politikker har en tendens til at halte mindst et årti eller mere bagefter videnskaben."

"Hver dag ser jeg noget boble op, som ikke faldt mig ind."

I dag er der utallige potentielle lovmæssige anvendelser til overvågning af vandkvaliteten, evaluering af miljøpåvirkningen (herunder havvindmølleparker og olie- og gasboring til mere banebrydende udvikling af indkøbscentre), artsforvaltning og håndhævelse af loven om truede arter. I en civil retssag indgivet i 2021, vurderede US Fish and Wildlife Service, om der fandtes en truet fisk i et bestemt vandskel, ved hjælp af eDNA og mere traditionel prøveudtagning, og fandt ud af, at de ikke gjorde det. Domstolene sagde, at agenturets manglende beskyttelse af dette vandskel var berettiget. Spørgsmålet synes ikke at være, om eDNA stod op i retten; det gjorde. "Men du kan virkelig ikke sige, at noget ikke eksisterer i et miljø," sagde Hajibabaei.

Han for nylig fremhævet spørgsmålet om validering: eDNA udleder et resultat, men har brug for mere etablerede kriterier for at bekræfte, at disse resultater faktisk er sande (at en organisme faktisk er til stede eller fraværende, eller i en vis mængde). EN række særlige møder for videnskabsmænd arbejdede for at løse disse problemer med standardisering, som han sagde inkluderer protokoller, chain of custody og kriterier for datagenerering og -analyse. I en gennemgå af eDNA-undersøgelser fandt Hajibabaei og hans kolleger ud af, at feltet er mættet med enkeltstående forhold, eller proof-of-concept-undersøgelser, der forsøger at vise, at eDNA-analyser virker. Forskning forbliver overvældende i den akademiske verden.

Som sådan spørger praktiserende læger, der håber at bruge eDNA i en anvendt sammenhæng, nogle gange efter månen. Findes arten et bestemt sted? For eksempel, sagde Hajibabaei, var der for nylig nogen, der spurgte ham, om han fuldstændig kunne tilbagevise tilstedeværelsen af ​​en parasit, hvilket beviser, at den ikke var dukket op i en akvakulturfarm. "Og jeg siger: 'Se, der er ingen måde, jeg kan sige, at det er 100 procent'."

Selv med en stringent analytisk ramme, sagde han, er problemerne med falske negative og falske positive særligt vanskelige at løse uden at gøre en af ​​de ting, eDNA undgår – mere traditionel indsamling og manuel inspektion. På trods af begrænsningerne er en håndfuld virksomheder allerede begyndt at kommercialisere teknikken. For eksempel kan fremtidige applikationer hjælpe en virksomhed med at bekræfte, om den bro, den bygger, vil skade lokalt truede dyr? et akvakulturudstyr afgøre, om vandet, hvor det opdrætter sine fisk, er inficeret med havlus? eller en godsejer, der er nysgerrig efter, om nyplantninger tiltrækker et bredere udvalg af hjemmehørende bier.

Problemet er ret fundamentalt i betragtning af eDNA's omdømme som en indirekte måde at detektere det uopdagelige - eller som en løsning i sammenhænge, ​​hvor det simpelthen ikke er muligt at dyppe et net og fange alle organismer i havet.

"Det er meget svært at validere nogle af disse scenarier," sagde Hajibabaei. "Og det er dybest set udyrets natur."

...

Edna åbner op for en masse muligheder og besvarer et spørgsmål oprindeligt stillet af Barkay (og uden tvivl mange andre): "Hvem er der?" Men i stigende grad giver det hints, der kommer til "Hvad laver de der?" spørgsmål også. Elizabeth Clare, professor i biologi ved York University i Toronto, studerer biodiversitet. Hun sagde, at hun har observeret flagermus raste ét sted i løbet af dagen, men ved at indsamle luftbåren eDNA kunne hun også udlede, hvor flagermus socialiserer om natten. I en anden studere, tæmmet hunde-eDNA dukket op i rød ræv. De to hunde så ikke ud til at være indbyrdes avl, men forskerne undrede sig over, om deres nærhed havde ført til forvirring eller krydskontaminering, før de i sidste ende besluttede sig for en anden forklaring: Ræve spiste tilsyneladende hundeskræk.

Så selvom eDNA ikke i sagens natur afslører dyreadfærd, gør feltet ifølge nogle beretninger fremskridt i retning af at give fingerpeg om, hvad en organisme kan gøre, og hvordan den interagerer med andre arter, i et givet miljø - indhenter information om sundhed uden direkte at observere opførsel.

Tag en anden mulighed: storskala biomonitorering. Faktisk har flere mennesker end nogensinde før deltaget i et modigt eksperiment, der allerede er i gang i de sidste tre år: Indsamling af miljøprøver fra offentlige kloakker for at spore virale Covid-19-partikler og andre organismer, der inficerer mennesker. Teknisk set involverer spildevandsprøvetagning en beslægtet tilgang kaldet eRNA, fordi nogle vira kun har genetisk information lagret i form af RNA i stedet for DNA. Alligevel gælder de samme principper. (Undersøgelser tyder også på, at RNA, som bestemmer hvilke proteiner en organisme udtrykker, kunne bruges til at vurdere økosystemets sundhed; organismer, der er sunde, kan udtrykke helt andre proteiner sammenlignet med dem, der er stressede.) Ud over at overvåge forekomsten af ​​sygdomme, vil spildevand overvågning viser, hvordan en eksisterende infrastruktur designet til at gøre én ting - kloakker blev designet til at indsamle affald - kunne forvandles til et kraftfuldt værktøj til at studere noget andet, som f.eks. påvisning af patogener.

Clare har for vane at gøre netop det. "Jeg er personligt en af ​​de mennesker, der har en tendens til at bruge værktøjer - ikke som de var tiltænkt," sagde hun. Clare var blandt de forskere, der bemærkede et hul i forskningen: Der blev udført meget mindre eDNA-arbejde på terrestriske organismer. Så hun begyndte at arbejde med det, der kunne kaldes et naturligt filter, det vil sige orme, der suger blod fra pattedyr. ”Det er meget nemmere at samle 1,000 igler, end det er at finde dyrene. Men de har blodmåltider inde i dem, og blodet bærer DNA'et fra de dyr, de interagerer med," sagde hun. "Det er som at have en flok feltassistenter ude og undersøge for dig." Så tænkte en af ​​hendes elever det samme for møgbiller, som er endnu nemmere at samle.

Clare står nu i spidsen for en ny applikation til et andet kontinuerligt overvågningssystem – ved at udnytte eksisterende luftkvalitetsmonitorer, der måler forurenende stoffer, såsom fine partikler, og samtidig støvsuger eDNA ud af himlen. I slutningen af ​​2023 havde hun kun et lille prøvesæt, men havde allerede fundet ud af, at som et biprodukt af rutinemæssig luftkvalitetsovervågning, fungerede disse allerede eksisterende værktøjer som filtre for det materiale, hun er ude efter. Det var mere eller mindre et reguleret, transkontinentalt netværk, der indsamlede prøver på en meget konsekvent måde over lange perioder. "Du kan derefter bruge det til at opbygge tidsserier og højopløsningsdata på hele kontinenter," sagde hun.

Alene i Storbritannien, sagde Clare, er der anslået 150 forskellige steder suger en kendt mængde luft, hver uge, hele året rundt, hvilket svarer til omkring 8,000 målinger om året. Clare og hendes medforfattere analyserede for nylig en lille delmængde af disse - 17 målinger fra to steder - og var i stand til at identificere mere end 180 forskellige taksonomiske grupper, mere end 80 forskellige slags planter og svampe, 26 forskellige arter af pattedyr, 34 forskellige arter af fugle, plus mindst 35 slags insekter.

Der findes bestemt andre langsigtede økologiske forskningssteder. USA har et netværk af sådanne faciliteter. Men deres undersøgelsesområde inkluderer ikke en globalt distribueret infrastruktur, der måler biodiversiteten konstant - inklusive passage af trækfugle over hovedet til udvidelse og sammentrækning af arter med klimaændringer. Formentlig vil eDNA sandsynligvis komplementere, snarere end fortrænge, ​​det distribuerede netværk af mennesker, som optager real-time, høj opløsning, tempo-spatiale observationer på websteder såsom eBird eller iNaturalist. Som et sløret billede af en helt ny galakse, der kommer til syne, forbliver den nuværende opløsning lav.

"Det er en slags generaliseret indsamlingssystem, som er temmelig uhørt i biodiversitetsvidenskab," sagde Clare. Hun henviste til evnen til at trække eDNA-signaler ud af den blå luft, men følelsen talte til metoden som helhed: "Det er ikke perfekt," sagde hun, "men der er ikke noget andet, der virkelig gør det."

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort den Undark. Læs oprindelige artikel. Environmental DNA Is Everywhere. Scientists Are Gathering It All. PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Billede Credit: Undark + DALL-E

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub