Экологическая ДНК повсюду. Ученые собирают все это.

В конце В 1980-х годах в федеральном исследовательском центре в Пенсаколе, штат Флорида, Тамар Баркей использовала грязь способом, который оказался революционным, и в то время она даже не могла себе представить: грубая версия метода, который сейчас потрясает многие научные области. Баркай собрал несколько образцов грязи: один из внутреннего водоема, другой из солоноватого залива и третий из низменного болота с соленой водой. Она поместила эти образцы осадка в стеклянные бутылки в лаборатории, а затем добавила ртуть, создав то, что можно было назвать токсичным осадком.

В то время Баркей работала в Агентстве по охране окружающей среды и хотела знать, как микроорганизмы в грязи взаимодействуют с ртутью, промышленным загрязнителем, что требовало понимания Найти организмы в данной среде, а не только крошечная часть, которую можно успешно вырастить в чашках Петри в лаборатории. Но основной вопрос был настолько фундаментальным, что он остается одним из тех фундаментальных вопросов, которые движут всей биологией. Как сказал Баркей, который сейчас на пенсии, в недавнем интервью из Боулдера, штат Колорадо: «Кто там?» И, что не менее важно, она добавила: «Что они там делают?»

Подобные вопросы по-прежнему актуальны и сегодня, их задают экологи, представители общественного здравоохранения, биологи-природоохранители, судебно-медицинские эксперты и те, кто изучает эволюцию и древнюю окружающую среду, — и они гонят эпидемиологов и биологов, занимающихся обувкой, в самые отдаленные уголки мира.

Так, бумаги Баркей и ее коллеги опубликовали в Журнал микробиологических методов изложил метод-«Прямое извлечение ДНК из окружающей среды» — это позволит исследователям провести перепись. Это был практический инструмент, хотя и довольно запутанный, для обнаружения того, кто там находился. Баркей использовала его до конца своей карьеры.

Сегодня это исследование называют первым проблеском eDNA, или ДНК окружающей среды, относительно недорогого, широко распространенного и потенциально автоматизированного способа наблюдения за разнообразием и распространением жизни. В отличие от предыдущих методов, которые могли идентифицировать ДНК, скажем, одного организма, этот метод также собирает вращающееся облако другого генетического материала, окружающего его. За последние годы сфера значительно выросла. «У него есть собственный журнал», — сказала Эске Виллерслев, эволюционный генетик из Копенгагенского университета. «Там есть свое общество, научное общество. Это стало устоявшейся областью».

«Мы все ненормальные, да? От него постоянно отслаиваются кусочки клеточного мусора».

еДНК служит инструментом наблюдения, предлагая исследователям возможность обнаруживать то, что, казалось бы, необнаружимо. Отбирая образцы эДНК или смесей генетического материала (то есть фрагментов ДНК, схемы жизни) в воде, почве, ледяных ядрах, ватных тампонах или практически в любой окружающей среде, которую только можно вообразить, даже в воздухе, теперь можно искать конкретного организма или собрать снимок всех организмов в данном месте. Вместо того, чтобы устанавливать камеру, чтобы видеть, кто пересекает пляж ночью, eDNA извлекает эту информацию из следов на песке. «Мы все ненормальные, да?» сказал Роберт Ханнер, биолог из Университета Гвельфа в Канаде. «Постоянно отслаиваются кусочки клеточного мусора».

Как метод подтверждения присутствия чего-либо, эДНК не является надежным методом. Например, организм, обнаруженный в эДНК, может фактически не жить в том месте, где был взят образец; Ханнер привел пример пролетающей птицы, цапли, которая съела саламандру, а затем испражнялась частью ее ДНК, что может быть одной из причин, по которой сигналы земноводных присутствуют в некоторых областях, где они никогда не были физически обнаружены.

Тем не менее, эДНК способна помочь обнаружить генетические следы, некоторые из которых теряются в окружающей среде, предлагая захватывающий – и потенциально пугающий – способ сбора информации об организмах, включая людей, когда они занимаются своими повседневными делами.

...

Концептуальный Основа eDNA (произносится как EE-DEE-EN-AY, а не ED-NUH) зародилась за сто лет до появления так называемой молекулярной биологии, и ее часто приписывают Эдмону Локару, французскому криминологу, работавшему в начале 20 век. В серии бумага опубликованный в 1929 году, Локар предложил принцип: каждый контакт оставляет след. По сути, eDNA переносит принцип Локарда в 21 век.

В течение первых нескольких десятилетий область, которая стала называться электронной ДНК, включая работы Баркея в 1980-х годах, была сосредоточена в основном на микробной жизни. Оглядываясь назад на свою эволюцию, можно сказать, что эДНК медленно выкарабкивалась из пресловутой грязи.

Лишь в 2003 году этот метод получил широкое распространение. исчезнувшая экосистема. Исследование 2003 года под руководством Виллерслева извлекло древнюю ДНК из менее чем чайной ложки осадка, впервые продемонстрировав возможность обнаружения с помощью этого метода более крупных организмов, включая растения и шерстистых мамонтов. В том же исследовании отложения, собранные в новозеландской пещере (которая, в частности, не была заморожена), обнаружили вымершую птицу: моа. Пожалуй, наиболее примечательно то, что эти приложения для изучения древней ДНК возникли из огромного количества навоза, упавшего на землю сотни тысяч лет назад.

Впервые Виллерслеву пришла в голову эта идея несколькими годами ранее, когда он размышлял над недавней кучей навоза: между получением степени магистра и доктора философии. в Копенгагене он оказался в затруднительном положении, пытаясь получить кости, останки скелетов или другие физические образцы для изучения. Но однажды осенью он увидел в окне «собаку, которая какает на улице», вспоминает он. Эта сцена натолкнула его на мысли о ДНК в фекалиях и о том, как ее смыло дождем, не оставив видимых следов. Но Виллерслев задался вопросом: «Может ли ДНК выжить?» Именно это я и установил, чтобы попытаться выяснить».

В документе продемонстрирована поразительная устойчивость ДНК, которая, по его словам, выживает в окружающей среде гораздо дольше, чем предполагали предыдущие оценки. С тех пор Виллерслев проанализировал эДНК в замерзшей тундре на территории современной Гренландии, датируемой 2 миллионами лет назад, и работает над образцами из Ангкор-Вата, огромного храмового комплекса в Камбодже, предположительно построенного в 12 веке. «Это должно быть худшее сохранение ДНК, которое вы только можете себе представить», — сказал он. — Я имею в виду, здесь жарко и влажно.

Но, по его словам, «мы можем получить ДНК».

еДНК способна помочь выявить генетические следы, предлагая захватывающий и потенциально пугающий способ сбора информации об организмах, когда они занимаются своими повседневными делами.

Виллерслев теперь не единственный, кто видит потенциальный инструмент с, казалось бы, безграничным применением, особенно сейчас, когда достижения позволяют исследователям секвенировать и анализировать большие объемы генетической информации. «Это открытое окно для многих, многих вещей, — сказал он, — и я уверен, что это гораздо больше, чем я могу себе представить». Это были не просто древние мамонты? еДНК могла бы выявить современные организмы, скрывающиеся среди нас.

Ученые используют eDNA для отслеживания существ всех форм и размеров, будь то один вид, например крошечные кусочки инвазивных водорослей, угри в Лох-Нессе или слепой крот, обитающий в песке, которого не видели почти 90 лет? исследователи отбирают образцы целых сообществ, скажем, рассматривая эДНК, обнаруженную на цветках полевых цветов, или эДНК, разносимую ветром, в качестве посредника для всех прилетающих птиц, пчел и других животных-опылителей.

...

Следующее Эволюционный скачок в истории эДНК оформился вокруг поиска организмов, живущих в настоящее время в водной среде Земли. В 2008 году появился заголовок: «Вода сохраняет память ДНК о скрытых видах». Оно пришло не из таблоида супермаркета, а из уважаемого профессионального издания Chemistry World, в котором описывалась работа французского исследователя Пьера Таберле и его коллег. Группа искала коричнево-зеленых лягушек-быков, которые могут весить более 2 фунтов и, поскольку они скашивают все на своем пути, в Западной Европе считаются инвазивным видом. Для поиска лягушек-быков обычно привлекались опытные герпетологи, сканирующие береговую линию с помощью бинокля, а затем возвращавшиеся после захода солнца, чтобы прислушаться к их крикам. 2008 бумага предложил более простой путь — опрос, требующий гораздо меньшего количества персонала.

«Вы можете получить ДНК этого вида прямо из воды», — сказал Филип Томсен, биолог из Орхусского университета (который не участвовал в исследовании). «И это действительно дало толчок развитию области ДНК окружающей среды».

Лягушек бывает трудно обнаружить, и они, конечно, не единственный вид, который ускользает от более традиционного обнаружения с помощью сапог на земле. Томсен начал работу над другим организмом, который, как известно, затрудняет измерения: рыба. Иногда говорят, что подсчет рыбы отдаленно напоминает подсчет деревьев, за исключением того, что они свободно бродят в темных местах, а счетчики рыбы ведут подсчет с завязанными глазами. Экологическая ДНК сбросила повязку. Один обзоре Опубликованная литература по этой технологии (хотя и с оговорками, включая несовершенные и неточные обнаружения или подробные сведения о численности) показала, что исследования эДНК пресноводных и морских рыб и амфибий превосходят численность наземных аналогов в соотношении 7:1.

В 2011 году Томсен, тогда еще доктор философии. кандидат в лаборатории Виллерслева, опубликовал бумаги демонстрируя, что этот метод может обнаружить редкий и виды, находящиеся под угрозой исчезновения, например, малочисленные в Европе, включая земноводных, млекопитающих, таких как выдра, ракообразных и стрекоз. «Мы показали, что всего лишь стакана воды действительно было достаточно, чтобы обнаружить эти организмы», — сказал он. Undark. Было ясно: этот метод имеет прямое применение в биологии сохранения для обнаружения и мониторинга видов.

В 2012 году журнал «Молекулярная экология» опубликовал специальный выпуск об eDNA, а Таберлет и несколько коллег изложили рабочее определение эДНК как любой ДНК, выделенной из образцов окружающей среды. Этот метод описывает два похожих, но немного отличающихся друг от друга подхода: можно ответить «да» или «нет» на вопрос: присутствует ли лягушка-бык (или что-то еще) или нет? Он делает это путем сканирования метафорического штрих-кода — коротких последовательностей ДНК, характерных для определенного вида или семейства, называемых праймерами; Сканер кассы — это распространенный метод, называемый количественной полимеразной цепной реакцией в реальном времени или qPCR.

Ученые используют eDNA для отслеживания существ всех форм и размеров, будь то крошечные кусочки инвазивных водорослей, угри в Лох-Нессе или слепой крот, обитающий в песке, которого не видели почти 90 лет.

Другой подход, широко известный как метабаркодирование ДНК, по существу выдает список организмов, присутствующих в данном образце. «Вы как бы задаете вопрос, что здесь?» — сказал Томсен. «И тогда вы получаете все известные вещи, но также получаете и некоторые сюрпризы, верно? Потому что были некоторые виды, о существовании которых вы даже не подозревали».

Один стремится найти иголку в стоге сена; другой пытается раскрыть весь стог сена. ЭДНК отличается от более традиционных методов отбора проб, при которых организмы, такие как рыба, ловят, манипулируют, подвергают стрессу, а иногда и убивают. Полученные данные объективны; оно стандартизировано и беспристрастно.

«ЭДНК, так или иначе, останется одной из важных методологий в биологических науках», — сказал Мехрдад Хаджибабаи, молекулярный биолог из Университета Гвельфа, который стал пионером подхода метабаркодирования и который проследить ловите рыбу на глубине около 9,800 футов под Лабрадорским морем. «Каждый день я вижу, как происходит что-то такое, что мне даже в голову не приходило».

...

В последние годы область применения eDNA расширилась. Чувствительность метода позволяет исследователям брать образцы ранее недоступных сред, например, захватывая eDNA из воздуха — подход, который подчеркивает перспективы eDNA и ее потенциальные ловушки. ЭДНК, переносимая по воздуху, по-видимому, циркулирует в глобальном пылевом поясе, что предполагает ее изобилие и вездесущность, и ее можно фильтровать и анализировать для мониторинга растений и наземных животных. Но разнос эДНК по ветру может привести к непреднамеренному заражению.

Например, в 2019 году Томсен оставил две бутылки сверхчистой воды на открытом воздухе — один на лугах, а другой возле морской гавани. Через несколько часов вода содержала обнаруживаемую эДНК, связанную с птицами и сельдью, что позволяет предположить, что в образцах поселились следы неназемных видов; организмы явно не обитали в бутылках. «Значит, оно должно прийти с воздуха», — сказал Томсен Ундарку. Результаты указывают на двойную проблему: во-первых, следы могут перемещаться, когда два организма, вступающие в контакт, могут затем носиться вокруг ДНК другого, и то, что присутствует определенная ДНК, не означает, что вид действительно существует. .

Более того, также нет никакой гарантии, что наличие эДНК указывает на то, что вид жив, и, по его словам, все еще необходимы полевые исследования, чтобы понять успех размножения вида, его здоровье или состояние среды его обитания. Таким образом, пока что эДНК не обязательно заменяет физические наблюдения или коллекции. В другом исследовании, в котором группа Томсена собрала Эдна На цветах для поиска птиц-опылителей более половины эДНК, о которых сообщается в статье, поступило от людей, и это загрязнение потенциально исказило результаты и затруднило обнаружение рассматриваемых опылителей.

Аналогичным образом, в мае 2023 года команда Университета Флориды, ранее изучавшая морских черепах по следам эДНК, оставленным ими, когда они ползали по пляжу. опубликованный документ, в котором обнаружена человеческая ДНК. Образцы были достаточно неповрежденными, чтобы обнаружить ключевые мутации, которые когда-нибудь могут быть использованы для идентификации отдельных людей, что позволяет предположить, что биологический надзор также поднял вопросы без ответа об этическом тестировании на людях и информированном согласии. Если бы эДНК служила неводом, то она без разбора собирала бы информацию о биоразнообразии и неизбежно заканчивалась бы, как говорится в статье команды УФ, «человеческим генетическим приловом».

Хотя проблемы конфиденциальности, связанные со следами на песке, пока что существуют в основном в сфере гипотетических, использование eDNA в судебных процессах, касающихся дикой природы, не только возможно, но и уже является реальностью. Его также используют в уголовных расследованиях: например, в 2021 году группа китайских исследователей переправу ЭДНК, собранная на штанах подозреваемого убийцы, вопреки его утверждениям, показала, что он, вероятно, был в грязном канале, где было найдено труп.

Обеспокоенность по поводу нецелевой эДНК с точки зрения точности и ее применения в медицине и криминалистике подчеркивает еще один, гораздо более широкий недостаток. Как описал проблему Ханнер из Университета Гвельфа: «Наша нормативно-правовая база и политика, как правило, отстают от науки как минимум на десятилетие или более».

«Каждый день я вижу, как происходит что-то такое, что мне даже в голову не приходило».

Сегодня существует бесчисленное множество потенциальные регуляторные применения для мониторинга качества воды, оценки воздействия на окружающую среду (включая морские ветряные электростанции и бурение нефти и газа, а также развитие заурядных торговых центров), управления видами и обеспечения соблюдения Закона об исчезающих видах. В гражданское судебное дело Поданная в 2021 году Служба охраны рыбы и дикой природы США оценила, существовала ли находящаяся под угрозой исчезновения рыба в конкретном водоразделе, используя электронную ДНК и более традиционные методы отбора проб, и обнаружила, что это не так. Суды заявили, что отсутствие защиты со стороны агентства на этом водоразделе было оправданным. Вопрос, судя по всему, не в том, сможет ли eDNA защититься в суде; так оно и было. «Но на самом деле нельзя сказать, что в окружающей среде чего-то не существует», - сказал Гаджибабаи.

Он недавно показали вопрос проверки: эДНК выводит результат, но нуждается в более установленных критериях для подтверждения того, что эти результаты действительно верны (что организм действительно присутствует или отсутствует, или в определенном количестве). А серия специальных встреч поскольку ученые работали над решением этих вопросов стандартизации, которые, по его словам, включают протоколы, цепочку поставок и критерии для генерации и анализа данных. В обзоре Что касается исследований eDNA, Хаджибабаи и его коллеги обнаружили, что эта область насыщена разовыми исследованиями или исследованиями, подтверждающими концепцию, пытающимися показать, что анализ eDNA работает. Исследования в академических кругах остаются в подавляющем большинстве разрозненными.

Таким образом, специалисты-практики, надеющиеся использовать eDNA в прикладных целях, иногда просят о Луне. Существует ли этот вид в определенном месте? Например, по словам Хаджибабаи, кто-то недавно спросил его, может ли он полностью опровергнуть наличие паразита, доказав, что он не появлялся на аквакультурной ферме. «И я говорю: «Послушайте, я не могу сказать, что это на 100 процентов».

По его словам, даже при наличии строгой аналитической структуры проблемы с ложноотрицательными и ложноположительными результатами особенно трудно решить, не делая одной из вещей, от которых избавляет эДНК, — более традиционного сбора и ручной проверки. Несмотря на ограничения, несколько компаний уже начинают коммерциализировать эту технологию. Например, будущие приложения могут помочь компании подтвердить, нанесет ли строящийся мост вред местным животным, находящимся под угрозой исчезновения? предприятие по аквакультуре определяет, заражены ли воды, в которых оно выращивает рыбу, морскими вшами? или землевладелец, которому интересно, привлекают ли новые посадки более широкий круг местных пчел.

Проблема довольно фундаментальна, учитывая репутацию электронной ДНК как косвенного способа обнаружения необнаружимого или обходного пути в ситуациях, когда просто невозможно опустить сеть и поймать все организмы в море.

«Очень сложно проверить некоторые из этих сценариев», — сказал Гаджибабаи. «И это, по сути, природа зверя».

...

Эдна открывает множество возможностей, отвечая на вопрос, первоначально заданный Баркеем (и, без сомнения, многими другими): «Кто там?» Но все чаще он дает подсказки на вопрос: «Что они там делают?» тоже вопрос. Элизабет Клэр, профессор биологии Йоркского университета в Торонто, изучает биоразнообразие. Она сказала, что днем ​​наблюдала, как летучие мыши ночуют в одном месте, но, собирая переносимую по воздуху эДНК, она также может сделать вывод, где летучие мыши общаются ночью. В другой ИсследованиеЭДНК домашней собаки обнаружена в помете рыжей лисы. Эти две собаки, судя по всему, не скрещивались, но исследователи задавались вопросом, не привела ли их близость к путанице или перекрестному заражению, прежде чем в конечном итоге остановились на другом объяснении: лисы, по-видимому, ели собачьи фекалии.

Таким образом, хотя эДНК по своей сути не раскрывает поведение животных, по некоторым данным, эта область делает успехи в предоставлении подсказок о том, что организм может делать и как он взаимодействует с другими видами в данной среде - собирая информацию о здоровье без непосредственного наблюдения. поведение.

Возьмем другую возможность: крупномасштабный биомониторинг. Действительно, за последние три года больше людей, чем когда-либо прежде, приняли участие в смелом эксперименте, который уже запущен: сборе проб окружающей среды из общественных сточных вод для отслеживания вирусных частиц Covid-19 и других организмов, заражающих людей. Технически отбор проб сточных вод включает в себя аналогичный подход, называемый эРНК, поскольку некоторые вирусы имеют генетическую информацию, хранящуюся только в форме РНК, а не ДНК. Тем не менее, применяются те же принципы. (Исследования также показывают, что РНК, которая определяет, какие белки экспрессирует организм, может использоваться для оценки здоровья экосистемы; здоровые организмы могут экспрессировать совершенно другие белки по сравнению с теми, которые находятся в стрессе.) Помимо мониторинга распространенности заболеваний, сточные воды наблюдение демонстрирует, как существующая инфраструктура, предназначенная для выполнения одной задачи (канализация была предназначена для сбора отходов), может быть преобразована в мощный инструмент для изучения чего-то другого, например обнаружение патогенов.

У Клэр есть привычка делать именно это. «Лично я одна из тех людей, которые склонны использовать инструменты не так, как они были задуманы», — сказала она. Клэр была среди исследователей, которые заметили пробел в исследованиях: над наземными организмами было проведено гораздо меньше работ по созданию эДНК. Итак, она начала работать с тем, что можно назвать естественным фильтром, то есть с червями, которые сосут кровь млекопитающих. «Намного проще собрать 1,000 пиявок, чем найти животных. Но внутри них есть кровяная пища, и кровь несет ДНК животных, с которыми они взаимодействовали», — сказала она. «Это похоже на то, как будто группа полевых помощников проводит геодезические работы вместо вас». Затем один из ее учеников подумал то же самое о навозных жуках, которых собирать еще проще.

В настоящее время Клэр возглавляет новое приложение для еще одной системы непрерывного мониторинга, используя существующие мониторы качества воздуха, которые измеряют загрязняющие вещества, такие как мелкие твердые частицы, и одновременно пылесосят эДНК с неба. В конце 2023 года у нее был лишь небольшой набор образцов, но она уже обнаружила, что в качестве побочного продукта регулярного мониторинга качества воздуха эти ранее существовавшие инструменты служат фильтрами для материала, который ей нужен. Это была более или менее регулируемая трансконтинентальная сеть, собирающая образцы очень последовательным образом в течение длительных периодов времени. «Затем вы сможете использовать его для создания временных рядов и данных высокого разрешения по целым континентам», — сказала она.

По словам Клэр, только в Великобритании существует около 150 различных сайтов. всасывание известного количества воздуха, каждую неделю, в течение всего года, что составляет около 8,000 измерений в год. Клэр и ее соавторы недавно проанализировали небольшую их часть — 17 измерений из двух мест — и смогли идентифицировать более 180 различных таксономических групп, более 80 различных видов растений и грибов, 26 различных видов млекопитающих, 34 различные виды птиц, а также не менее 35 видов насекомых.

Конечно, существуют и другие места долгосрочных экологических исследований. В США имеется сеть таких объектов. Но сфера их исследования не включает глобально распределенную инфраструктуру, которая постоянно измеряет биоразнообразие, включая пролет мигрирующих птиц над головой, а также расширение и сокращение видов в результате изменения климата. Можно утверждать, что eDNA, скорее всего, дополнит, а не заменит распределенную сеть людей, которые записывают пространственно-временные наблюдения в реальном времени с высоким разрешением на таких веб-сайтах, как eBird или iNaturalist. Подобно нечеткому изображению совершенно новой галактики, которое появляется в поле зрения, текущее разрешение остается низким.

«Это своего рода обобщенная система сбора данных, о которой почти ничего не слышно в науке о биоразнообразии», — сказала Клэр. Она имела в виду способность извлекать сигналы эДНК из воздуха, но это мнение относилось к методу в целом: «Он не идеален, — сказала она, — но нет ничего другого, что действительно могло бы сделать это».

Эта статья изначально была опубликована в Undark, Прочтите оригинал статьи.

Изображение Фото: Андарк + ДАЛЛ-И

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2024/04/02/environmental-dna-is-everywhere-scientists-are-gathering-it-all/