El ADN de una sola taza de agua puede rastrear la fauna, monitorizar la contaminación y estudiar patógenos en los cursos de agua y su entorno, todo al mismo tiempo.
El ADN está contenido en cada célula de cada planta, animal, hongo y microbio. Lleva las instrucciones genéticas necesarias para la supervivencia, el crecimiento y la función de un organismo, y el ADN de cada especie es único.
Los organismos liberan ADN en sus entornos. Este ADN ambiental, o eADN, puede provenir de células que se desprenden de la piel, esporas y polen que se transportan por el viento, o incluso simplemente de una tos o estornudo. Puede proporcionar una enorme cantidad de información. Los investigadores pueden utilizarla para evaluar la biodiversidad, monitorizar la propagación de especies invasoras y detectar patógenos.
Los métodos tradicionales de monitorización, como la observación de campo o el atrapamiento, pueden ser difíciles, intrusivos y llevar mucho tiempo. Rastrear una especie esquiva en estado salvaje puede significar horas o días sin ser avistado, quizá en terrenos difíciles o lugares remotos. Capturar animales puede ser estresante para los animales y requiere conocimientos expertos para manejar correctamente la fauna y colocar trampas.
Con el eADN, los investigadores pueden recopilar información sobre una especie sin necesidad de verla o interactuar con ella. Además, una taza de agua, unas pocas onzas de arena o incluso aire succionado a través de un filtro pueden contener suficiente información para determinar qué ha habido en la zona, incluyendo personas, fauna y patógenos infecciosos.
Descifrando el código de ADN
Los investigadores secuencian fragmentos de ADN recogidos de arena, agua o aire para decodificar el orden de los bloques químicos que componen el ADN. Estas secuencias pueden utilizarse no solo para identificar las especies de las que provienen los fragmentos de ADN, sino también para acotar el área de origen del organismo.
Hasta hace poco, los investigadores solían utilizar un enfoque llamado metabarcoding para secuenciar ADNe. Este método crea muchas copias de marcadores genéticos específicos y cortos que los investigadores pueden utilizar para identificar especies concretas.
Aunque potente, el metabarcoding es selectivo por diseño. Solo encuentra lo que está diseñado para encontrar —típicamente pequeñas pero informativas regiones de ADN llamadas códigos de barras— e ignora todo lo demás. Como los fragmentos de ADN son tan cortos, es difícil vincular estos fragmentos de información. Un único código de barras no puede cubrir todas las especies de un área, ni puede proporcionar información sobre los rasgos genéticos de las especies en la zona.
Mi equipo en el Duffy Lab de la Universidad de Florida adoptó un enfoque diferente. En lugar de centrarnos en una región corta de ADN en una muestra, utilizamos una técnica que los investigadores llaman secuenciación metagenómica de ADN de lectura larga, que lee cada fragmento de ADN en secciones largas y continuas. Todo el ADN y los rasgos en un solo fragmento largo provienen claramente del mismo individuo. Como resultado, podemos secuenciar todo el ADN de todas las especies, desde virus hasta vertebrados y todo lo que hay entre medias.
En comparación con el metabarding, la secuenciación shotgun es más rápida y requiere menos manipulación y procesamiento en laboratorio. La parte “shotgun” del nombre se refiere a cómo el ADN se fragmenta, se lee en breves fragmentos y luego se vuelve a ensamblar. Esta fragmentación aleatoria y explosiva se asemeja al disparo de una escopeta.
Comparando los resultados de la secuenciación de ADN shotgun con grandes bases de datos de referencia del genoma, los investigadores pueden averiguar de qué especie proviene el ADN. Este proceso proporciona una lectura de ADN todo en uno de todo en una sola muestra.
En lugar de identificar la presencia de especies objetivo concretas, como la técnica de código de barras, la secuenciación shotgun es una instantánea amplia de las comunidades ecológicas en un área concreta. En una sola evaluación, los investigadores pueden detectar microbios, hongos, plantas y animales en tan solo 24 horas.
Te puede interesar: Así es la reubicación de seis millones de abejas en Singapur, un nido a la vez
Río rico en especies
Para probar nuestro nuevo método, mi equipo y yo recogimos muestras de agua del río Avoca en Irlanda, desde cerca de su fuente en las montañas Wicklow hasta donde desemboca en el mar de Irlanda en la ciudad de Arklow. También recogimos muestras de arena de playas cerca de la desembocadura del río.
Estas muestras revelaron una gran cantidad de información genética que se filtraba a través del sistema fluvial.
El ADN que filtramos de las muestras de agua proviene de muchos organismos que viven en o cerca del agua, incluyendo nutrias y ostras, zorros y peces, tejones y bacterias. Algunas de las especies que detectamos eran comunes y fácilmente visibles a lo largo del río (vacas, ovejas, perros y humanos), mientras que otras eran más difíciles de ver (tortugas laúd y pulpos). Algunos requerían lupa (mosquitos picantes, gusanos microscópicos y virus).
Los investigadores también pueden utilizar el ADN ambiental para evaluar si la restauración de la biodiversidad está funcionando como se espera. A partir de nuestras muestras del río Avoca, detectamos ADN de organismos con importantes consecuencias económicas y ecológicas: un hongo llamado Leptosphaeria maculans que afecta a los cultivos y un hongo llamado Batrachochytrium dendrobatidis que ha provocado un descenso catastrófico en las poblaciones de ranas en todo el mundo. Es la primera vez que los investigadores detectan B. dendrobatidis en Irlanda.
El eADN no solo puede mostrar qué especies están presentes, sino que también puede revelar sus orígenes y ayudar a los investigadores a entender cómo migran y se dispersan. Por ejemplo, el eADN de mejillón azul que recuperamos cerca de la desembocadura del río Avoca se asemeja más al ADN de mejillones encontrados frente a las costas de Gales (84%) y Francia (16%).
Mitigación de la contaminación
El impacto humano en el río se reflejó claramente en el ADN electrónico que recogimos.
Las muestras que recogimos río arriba, en una zona poco poblada, tenían muy poco ADN humano. En cambio, las muestras que tomamos cerca del pueblo de Arklow en 2022 contenían altos niveles de ADN humano, consistentes con aguas residuales no tratadas que entraban en el río en ese momento.
Además, encontramos ADN de patógenos asociados al ser humano en el agua del río y la arena de la playa. Estos incluían bacterias como el estreptococo, parásitos como la entamoeba y patógenos de transmisión sexual como clamidia, herpes y gonorrea.
Cuando volvimos a recoger muestras en 2024, la señal de ADN humano prácticamente había desaparecido. Esto coincidió con la construcción de tuberías que conducían a la nueva Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Arklow, desviando los residuos humanos del río.
La capacidad de identificar la fauna, la actividad humana y los patógenos a partir de una sola muestra de agua pone de manifiesto el potencial de un enfoque de One Health de amplio alcance para la vigilancia de la salud ambiental. En principio, es posible utilizar el eADN para identificar simultáneamente fuentes de contaminación y patógenos emergentes, rastrear especies invasoras y monitorizar los reservorios ambientales de enfermedades, casi en tiempo real.
Toda la naturaleza en pocas palabras
El ADN ambiental ofrece una nueva forma de monitorización de ecosistemas. En lugar de llevar a cabo la vigilancia ambiental a través de los lentes separados de la zoología, botánica, microbiología y epidemiología, el eADN actúa como un observatorio genómico continuo.
Este enfoque “todo en uno” para la monitorización de ecosistemas es cada vez más sencillo a medida que los costes de secuenciación de ADN continúan disminuyendo, los avances tecnológicos permiten secuenciar fragmentos de ADN más largos y mejora la potencia computacional.
Una sola taza de agua puede desvelar los increíbles secretos que fluyen bajo la superficie del río. La biodiversidad en y alrededor del agua, los efectos de la contaminación y la recuperación, y las hermosas complejidades de ecosistemas enteros están esperando a ser revelados.
*Jenny Whilde es Investigadora adjunta en Biociencias Marinas en la Universidad de Florida.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation/Reuters
