Ela rastreia o DNA de espécies esquivas que se escondem em lugares hostis

Tracie Seimon descobriu cedo sua paixão pelo mundo natural. Quando criança, crescendo no Colorado, ela gostava de “colher insetos” do quintal de sua família e manter uma fazenda de formigas como hobby. Quando ela via árvores sendo cortadas na televisão, ela ficava perturbada. Ela e seu pai costumavam estudar o céu noturno através de um telescópio até que sua curiosidade a levou a desmontar o telescópio para descobrir como funcionava. Ela nunca conseguiu recuperá-lo. Mais tarde, quando seus pais lhe deram um microscópio de presente, ela foi instruída a deixá-lo intacto.

"Eu olhei para tudo sob ele", disse ela.

Em 2007, quando Seimon era professora júnior na Universidade de Columbia e estava escolhendo uma carreira, ela se sentiu puxada para duas direções opostas. Ela poderia ter aceitado uma oferta para um cargo permanente de professora para continuar sua pesquisa médica sobre doenças cardiovasculares. Mas, em vez disso, ela conseguiu um emprego de meio período para ajudar a desenvolver um laboratório molecular para a Wildlife Conservation Society (WCS). Isso acabou se transformando em uma oferta única para ajudar a lançar um novo laboratório no Zoológico do Bronx como pesquisador conjunto do WCS e do Centro de Infecção e Imunidade da Universidade de Columbia. “Eu estava treinando na descoberta de patógenos” enquanto também “tentava construir lentamente” o novo laboratório, disse ela.

Hoje, Seimon é o diretor do Laboratório de Diagnóstico Molecular da WCS, baseado no Zoológico do Bronx. Ela foi pioneira no uso de tecnologias baseadas em DNA para detectar e monitorar espécies na natureza, particularmente em ambientes desafiadores. Sua pesquisa sobre biodiversidade a levou ao Peru, Mianmar, Vietnã, Camboja, Rússia, Uganda e Ruanda.

Seimon subiu até o Monte Everest, liderando a equipe que fez o primeiro DNA ambiental abrangente (eDNA) levantamento da biodiversidade lá. Essa pesquisa fez parte do 2019 Geografia nacional e Rolex Expedição Perpétua Planeta Everest, a expedição científica mais abrangente já realizada naquela montanha.

Antes que o trabalho de campo de Seimon a levasse ao Monte Everest, ela viajou muitas vezes aos Andes peruanos. Seu foco é a bacia hidrográfica de Sibinacocha, na cordilheira glaciarizada da Cordilheira Vilcanota. Por quase 20 anos, ela liderou uma iniciativa que investiga os efeitos das mudanças climáticas e do fungo quitrídio (Batrachochytrium dendrobatidis or Bd) sobre os anfíbios que vivem nesse habitat.

Quanta conversou com Seimon por videoconferência sobre suas jornadas de pesquisa globais. A entrevista foi condensada e editada para maior clareza.

Conte-me sobre seu laboratório no Zoológico do Bronx.

Nosso laboratório é pequeno. A maioria dos diagnósticos diários que realizamos são testes de patógenos nos animais de nossa coleção nos quatro zoológicos da WCS e no Aquário de Nova York. Também temos projetos de pesquisa nos quais estamos ajudando a desenvolver ferramentas moleculares para conservação, o tipo de ferramenta para estudar o DNA que você pode literalmente jogar na mochila e levar para o campo. Por exemplo, desenvolvemos testes portáteis de vírus da cinomose canina e testes de eDNA para espécies ameaçadas de extinção. E treinamos pesquisadores de campo em muitos dos países onde trabalhamos sobre como fazer esse teste portátil de DNA.

Como você se envolveu com a pesquisa de eDNA?

Em 2015, nossos colegas perguntaram se poderíamos aplicar a tecnologia para testar uma espécie rara e ameaçada: a tartaruga gigante de casca mole do Yangtze (Rafetus swinhoei). Passamos muito tempo indo aos lagos do zoológico do Bronx, coletando água, testando para ver quais espécies estavam lá e vendo se poderíamos fazer testes de eDNA.

Quando comecei, quase parecia ficção científica. "Realmente? Podemos detectar tantas espécies apenas na água?”

Como você se envolveu com o estudo do eDNA no Monte Everest para a expedição Perpetual Planet?

Paulo Mayewski, um conceituado pesquisador do clima e glaciologista da Universidade do Maine, estava organizando uma expedição científica ao Monte Everest e me convidou. Ele me perguntou: “Por que você não junta algumas ideias do que gostaria de fazer lá?” Meu pensamento foi: “Se quisermos descobrir o que é a vida na maior altitude, podemos usar o eDNA para avaliar a biodiversidade do Monte Everest?”

Ninguém sabia muito sobre a biodiversidade naquela época porque é muito difícil trabalhar naquelas altas altitudes. O ar é rarefeito. Você se cansa muito rápido. Quando as tempestades chegam, às vezes você precisa usar o GPS para voltar à barraca por causa das condições de branqueamento total.

Eu estava interessado em ver se o eDNA poderia ser uma maneira muito mais fácil. Poderíamos coletar amostras de água, filtrá-las no local, trazer os filtros com o DNA capturado de volta ao laboratório e, então, usar o DNA para avaliar o que está lá.

Então você foi ao Everest e coletou amostras dessa maneira. Mais tarde, como você analisou essas amostras de DNA?

Dividimos os dados usando duas técnicas diferentes, sequenciamento shotgun de todo o genoma e metabarcoding. Em seguida, usamos quatro pipelines de bioinformática diferentes para analisar os dados e determinar quais organismos detectamos.

Agora que fizemos isso no Everest, eu adoraria voltar e fazer isso no Peru.

Quais foram suas principais conclusões sobre o eDNA que você coletou no Monte Everest?

Há uma quantidade incrível de biodiversidade lá em cima. Conseguimos encontrar 187 ordens taxonômicas de toda a árvore da vida: vírus, bactérias, fungos, plantas e animais. Quase um sexto de todas as ordens taxonômicas conhecidas pode ser encontrado nesta montanha acima de 4,500 metros. O terreno nessa altitude e acima representa apenas 3% da massa terrestre global.

Esperançosamente, à medida que mais pessoas coletam dados de DNA, seremos capazes de reanalisar as sequências e reduzir as identificações ao nível de gênero e espécie. Já conseguimos fazer isso com alguns dos dados, o que foi ótimo. Por exemplo, a partir do DNA em amostras de fezes, encontramos a primeira evidência de que o gato de Pallas (Otocolobus manul), uma espécie rara de felino selvagem, vive no leste do Nepal. Isso foi emocionante. Mas atualmente, existem muito poucas sequências de referência do Everest para comparar dados, e é disso que você precisa para identificar algo.

Houve outras limitações para o estudo?

Claro. Nosso estudo é apenas um instantâneo da diversidade durante várias semanas em abril e maio de 2019. Ficamos limitados a essa janela porque a expedição da qual fazíamos parte incluía projetos vinculados à temporada de escalada e quando os sherpas poderiam montar o cordas para levar as pessoas para cima e para trás com segurança.

Nossa amostragem também foi limitada porque o degelo da primavera chegou muito tarde naquele ano. A partir de imagens de satélite de anos anteriores, esperávamos que os lagos do Monte Everest estivessem totalmente descongelados quando chegássemos lá, mas vários deles ainda estavam congelados. Tivemos que cortar o gelo para provar a água abaixo dele.

Se tivéssemos mudado a coleção por alguns meses, poderíamos ter coletado ainda mais DNA e a biodiversidade seria ainda maior? Talvez, mas não tivemos o luxo de esperar. Ainda assim, a quantidade de dados que extraímos de lá naquele tempo é impressionante.

Seria incrível ver como o ambiente muda sazonalmente ao longo de um ano e depois voltar a cada cinco anos para ver como isso muda ao longo do tempo. Alguns dos organismos que identificamos servem como espécies indicadoras de mudanças climáticas e outros estresses ambientais.

Por que é importante fazer bioensaios em lugares como o Himalaia? Esses ambientes extremos são uma parte relativamente pequena do mundo. Por que não basta apenas coletar eDNA de locais mais acessíveis?

Tínhamos dois objetivos em mente indo para lá. Primeiro, queríamos responder a perguntas como: Qual é a vida na maior altitude? Que espécies vivem lá em cima? Quais organismos podem tolerar o que chamamos de ambientes extremos?

Isso é importante saber apenas de uma perspectiva biológica. Por exemplo, alguns dos organismos que encontramos lá em cima são tardígrados e rotíferos. Esses organismos podem viver praticamente em qualquer lugar, incluindo ambientes muito hostis e extremos. Tardígrados podem até sobreviver ao vácuo do espaço.

Em segundo lugar, os ambientes de alta montanha são lugares onde você pode procurar por mudanças que ocorrem em taxas muito mais rápidas do que as que ocorrem mais abaixo. Normalmente, pequenas perturbações dos ambientes extremos lá em cima podem forçar grandes mudanças nas faixas ou territórios que esses organismos podem ocupar. Queríamos entender as consequências dessas mudanças.

Um grande exemplo é o que aprendemos nas montanhas da Cordilheira Vilcanota, no sul do Peru, perto do Lago Sibinacocha. Por meio de estudos ao longo de algumas décadas, descobrimos que os anfíbios têm expandido seu alcance para cima em terrenos recentemente degelados. Novas lagoas se formaram atrás das geleiras que recuam. Isso abriu novos habitats para os quais as espécies podem migrar e ocupar.

Mas não são apenas os anfíbios. Estamos vendo insetos, plantas e outros organismos se movendo para essas áreas de lagoas também. Nas áreas montanhosas, toda a biosfera está aumentando em resposta à mudança climática, como documentamos nos Andes peruanos.

A questão também se torna: podemos medir a rapidez com que essas ricas taxas de mudança estão ocorrendo? Estamos descobrindo que os anfíbios se movem muito com base na disponibilidade de habitat. Quando um lago se forma, eles se movem para ele, mas eventualmente não são mais alimentados pela geleira. À medida que seca, os anfíbios se movem para a próxima lagoa. É um ambiente muito dinâmico, que muda rapidamente.

O estudo do Everest é uma ótima maneira de estabelecer dados básicos para documentar essas mudanças. Como as espécies lá de cima vivem em ambientes hostis, elas são mais propensas a alterar seu comportamento.

O eDNA é uma ferramenta tão útil em ambientes menos extremos?

Nunca penso no eDNA como a ferramenta principal. O eDNA deve ser usado em combinação com outras formas de monitoramento da biodiversidade. Então, podemos olhar para os dados de eDNA de forma mais holística e contextualizada.

Por exemplo, coletei amostras de fezes e fizemos pesquisas de encontro visual enquanto estávamos no Monte Everest. Encontramos rastros de leopardo-das-neves na neve recém-caída lá em cima, mas não encontramos leopardo-das-neves em nossa amostra de eDNA. Isso foi algo que perdemos.

O problema com o eDNA é que, embora possa ser incrivelmente informativo sobre muito do que está em um ambiente, você não pode descartar o que não está em seus dados. Porque você está sempre limitado pela sensibilidade de sua detecção.

Digamos que tiramos 20 amostras de água de um lago e apenas uma amostra deu positivo para tartaruga. Se tivéssemos tirado apenas 10 amostras, poderíamos ter perdido as tartarugas lá. Portanto, com o eDNA, suas interpretações dos dados sempre devem ser baseadas na estratégia de amostragem. Quando você está aplicando o eDNA a algo como biomonitoramento para mudanças ao longo do tempo, é bom conhecer a ecologia do seu sistema primeiro e depois ter em mente todas as ressalvas.

Quais são algumas dessas advertências?

Só porque você detectou DNA não significa necessariamente que você o está coletando de um organismo vivo. Pode ser de um organismo morto derramando eDNA. Se você mexer no fundo de um corpo de água, talvez esteja mexendo no DNA antigo. Você realmente tem que pensar nas perguntas que deseja responder e se o eDNA vai respondê-las.

Você também deve se lembrar da rapidez com que o eDNA se degrada, dependendo da temperatura ou das condições de luz ultravioleta. Tantas coisas podem diminuir a meia-vida do seu eDNA, e você deve considerar todas elas ao projetar um estudo. Pode ser bem complicado.

Além de seus estudos de biodiversidade, você também está usando eDNA para identificar espécies no comércio de vida selvagem.

Sim. Um de nossos projetos era desenvolver um teste de DNA que pudesse identificar todas as espécies de grandes felinos traficadas no comércio ilegal de ossos. Todas as partes do tigre são utilizadas no comércio de animais selvagens. Queríamos desenvolver um teste que permitisse uma melhor pré-triagem em pontos de confisco ou pontos de entrada nos países. Uma ferramenta que seria muito fácil de usar, para que você pudesse montar um laboratório portátil e rastrear ossos que pudessem estar entrando nas malas ou pacotes das pessoas. Algo que pode ver rapidamente se uma amostra é de uma espécie de felino grande e, portanto, pode ser regulamentada, para que possa ser enviada para testes forenses confirmatórios.

Uma versão piloto está sendo testada na China e aqui nos EUA. A ideia é usá-la como uma ferramenta de triagem que pode ajudar as autoridades a reprimir o comércio ilegal.

Você liderou uma iniciativa de monitoramento de longo prazo no Peru que se concentrou no fungo quitrídio anfíbio, que está destruindo muitas populações de anfíbios em todo o mundo. Como esse fungo afeta os anfíbios?

O fungo ataca a pele de espécies vulneráveis. Um sapo infectado então desenvolve hiperceratose, um espessamento da camada de queratina da pele que inibe a absorção de água e oxigênio. Então seus eletrólitos ficam perigosamente desequilibrados e está descamando da pele. Os sapos acabam tendo uma parada cardíaca.

Pode ser devastador para certas espécies, mas outras parecem ser muito mais resistentes a ela. Existem muitas questões complexas sobre a patogenicidade de diferentes cepas de fungos. É um campo grande.

Temos estudado quais sapos estão sendo infectados pelo fungo quitrídio e, enquanto lidam com isso, como também estão se adaptando aos efeitos do aquecimento climático.

O que você encontrou?

Conseguimos mostrar que conforme os sapos avançam para cima e expandem seu alcance, eles trazem o fungo com eles. Algumas das rãs que encontramos perto do topo da passagem, a 5,300 metros de altitude, foram positivas para quitrídio. Quando nós pesquisadores vamos a campo, tomamos muitos cuidados de borrifar álcool nas botas para não espalhar o fungo por aí.

Nos Andes, vimos o desaparecimento de uma espécie, a rã d'água marmorizada, Telmatobius marmoratus. Depois de 2005, a população caiu. Não conseguimos encontrá-los em nenhum dos locais que amostramos por anos. Mas em 2013, eles pareciam estar voltando. Eles estão se tornando mais resistentes ao fungo. Há esperança de que eles se saiam muito bem enquanto continuam se adaptando ao ambiente em rápida mudança lá em cima.

Você tem um local favorito para fazer trabalho de campo?

Meu favorito sempre será o Lago Sibinacocha no Peru. Você tem flamingos voando sobre geleiras e beija-flores andinos voando ao seu redor. Rãs e vicunhas. É incrivelmente bonito e incrivelmente biodiverso para um ambiente de montanha tão alta.

Como você descobriu duas novas espécies de tarântulas?

É surpreendente, eu sei, porque sou aracnofóbico!

Enquanto estávamos revirando rochas no Peru em busca de sapos, vi um pequeno traseiro peludo saindo de um buraco. eu olhei para Bronwen Konecky, um então aluno e colaborador com quem eu estava trabalhando, e disse: “Você consegue entender isso?” Ela fez.

Tiramos muitas fotos e as mostramos a um taxonomista especialista em tarântulas que disse: “Parece que você pode ter uma nova espécie. De alguma forma você pode coletar alguns machos e fêmeas?

O que aconteceu depois?

Eu tive que voltar. Dessa vez, era só eu com um longo par de pinças, enfiando a mão nos buracos. Eu tentava pescar as tarântulas com muito cuidado e quase desmaiava de sobrecarga de adrenalina.

Os espécimes maiores, nossa equipe de cavalos ajudou a coletar. Depositamos os novos espécimes em Lima e solicitamos que fossem enviados para avaliação taxonômica. Cerca de 10 anos depois, eles foram finalmente analisados ​​e os resultados publicados. Às vezes leva muito tempo, mas a ciência sai.

Onde você espera realizar a próxima pesquisa? Algum local dos sonhos?

Eu adoraria fazer mais trabalhos no Himalaia. Eu simplesmente amo ambientes de alta montanha. Coloque-me em um e eu estou feliz. Adoro pular de pedra em pedra, revirando as coisas, procurando bichos. Minha coisa favorita a fazer é virar pedras e ver o que está embaixo delas.

Em seu tempo livre, você fotografou e estudou tempestades severas. Conte-nos sobre isso.

Esse é o meu hobby. Meu marido, Anton Seimon, é o líder científico de uma equipe de pesquisa de tornados. Ele está envolvido na pesquisa de tornados há três décadas, e eu tenho perseguido tempestades com ele desde que nos conhecemos, portanto, há 20 anos.

Todos os anos, entre maio e junho, carregamos nossa van e nosso cão de caça Chase e saímos para as Grandes Planícies para acompanhar fortes tempestades. Geralmente visamos tempestades em áreas onde provavelmente haverá muito pouca destruição, onde podemos obter vistas ininterruptas dessas tempestades. Mas mesmo que não vejamos tempestades, fico perfeitamente feliz em fotografar animais selvagens e flores silvestres. Imergir na natureza, como quando saio para o campo, é o que mais gosto de fazer.