Genetyk Clemson opracowuje system ujawniania DNA na niebie | wiadomości krajowe
Kiedy leciała przez saharyjską chmurę pyłu nad Andersonem, pilotując skoczków spadochronowych do ich wysokości skoku, genetyk z Clemson University i licencjonowany pilot komercyjny Kimberly Métris dosłownie ujrzała przed oczami okazję do badań.
Kimberly Métris jest absolwentką Clemson, która jest członkiem Wydziału Genetyki i Biochemii od 2019 roku.
Atmosfera była nasycona cząstkami stałymi, gdy transkontynentalne chmury pyłu i piasku wirowały w powietrzu, tworząc oszałamiający wizualnie spektakl.
„Na wysokości widziałem cząsteczki pyłu, które przedostały się z Afryki w tych silnych prądach powietrza” – powiedział Métris, absolwent Clemson, który jest członkiem Wydziału Genetyki i Biochemii od 2019 r. „Zastanawiałem się, jaki materiał genetyczny tam jest i w powietrzu, przez które przelatuję każdego dnia”. Postanowiła wtedy przeprowadzić badania, aby rozwikłać tajemnice leżące powyżej.
Zdobądź TheTandD.com za 1 USD przez 26 tygodni
Długa historia
Biologia atmosfery ma długą i bogatą historię — naukowcy badają mikroorganizmy w pyle atmosferycznym przenoszonym przez powietrze od XIX wieku.
„Szczególnie samoloty są przydatne do pokonywania długich dystansów na wybranych wysokościach w krótkich odstępach czasu” – powiedział Métris. „Już w 1921 roku samoloty były używane do przechwytywania materiału biologicznego w Stanach Zjednoczonych w celu monitorowania patogenów roślin. W latach trzydziestych ludzie tacy jak Fred Meier i Charles Lindbergh donosili o kolekcjach mikroorganizmów z atmosfery USA i Arktyki samolotami”.
„Na wysokości widziałem cząsteczki pyłu, które przedostały się z Afryki w tych silnych prądach powietrza”.
Aby przeprowadzić swoje badania, Métris potrzebowała instrumentu, który byłby ekonomiczny, można go sterylizować i który można precyzyjnie kontrolować, aby pobierać bioaerozole bezpośrednio z atmosfery za pomocą samolotu. Taki instrument nie istniał, więc ona i jej mąż, Jeremy Métris, opracowali taki, który obejmuje aktywną filtrację pełnego przepływu wymiernej, kontrolowanej objętości powietrza i komorę o wysokiej integralności, aby chronić próbkę przed utratą lub zanieczyszczeniem.
Sonda może być zamontowana na rozpórce skrzydła samolotu, aby pobierać próbki tylko swobodnego strumienia powietrza przed krawędzią natarcia skrzydła. Jest sterowany przez operatora za pomocą pompy próżniowej i kolektora znajdującego się w kabinie samolotu.
Po pobraniu środowiskowego DNA z atmosfery zsekwencjonowano je w celu zidentyfikowania jego źródła.
Wykorzystując siatkę do badań lotniczych opracowaną przez naukowców, Métris przeleciał nad obszarem ponad 4500 akrów w północno-zachodniej Karolinie Południowej i północno-wschodniej Georgii.
W okolicy znajdują się liczne obiekty drobiarskie i hodowlane; pola uprawne i lasy; budynki przemysłowe, takie jak oczyszczalnie ścieków, szpitale i kliniki; i inne działania związane z rozwojem miast. Struktury emisji naziemnej były widoczne z samolotu na wszystkich wysokościach lotu.
Naukowcy przeprowadzili loty w maju i czerwcu 2022 roku i pobrali próbki na trzech wysokościach — 1800, 4500 i 8500 stóp średniego poziomu morza.
Po zebraniu próbek Métris wykorzystał wysokowydajną metagenomikę do identyfikacji sekwencji.
Ponad 50 typów
Badanie, niedawno opublikowane w czasopiśmie PeerJ Życie i środowisko, odkryli powszechną, heterogeniczną obecność prokariotycznego i eukariotycznego środowiskowego DNA w atmosferze, sięgającego tysięcy metrów w planetarną warstwę graniczną niższej troposfery.
Zsekwencjonowano ponad 50 rodzajów bakterii przenoszonych drogą powietrzną, w tym patogeny. Wykryto również powszechne alergeny roślinne z traw, chwastów i drzew oraz inwazyjne chwasty o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych i przeciwzapalnych.
Co zaskakujące, naukowcy odkryli bioaerozole zwierzęce na dużych wysokościach, w tym DNA kurczaka, krowy i człowieka wykryte na wszystkich wysokościach. DNA zostało również odzyskane z bakterii wcześniej nieudokumentowanych w niższej troposferze, ale zgłoszonych w innych ekstremalnych środowiskach, takich jak osady głębinowe i Międzynarodowa Stacja Kosmiczna.
Działalność człowieka, taka jak usuwanie i przetwarzanie odpadów, rolnictwo i przemysł, a także procesy naturalne, takie jak zapylanie i ewapotranspiracja, mogą uwalniać bioaerozole z DNA i RNA do atmosfery, przenosząc je w nowe miejsca.
Métris podkreślił siłę cyrkulacji atmosferycznej w transporcie tych bioaerozoli.
„Ten środowiskowy DNA lub RNA może być podnoszony, przenoszony i osadzany w innym miejscu przez mieszanie atmosferyczne, działanie podnoszące, wypór i inne procesy biogeografii powietrza, potencjalnie prowadząc do konsekwencji biologicznych, takich jak przepływ genów i hybrydyzacja”.
Unoszące się w powietrzu mikroorganizmy i pyłki mogą działać jako jądra tworzące lód i chmury, wpływając na nasz globalny klimat.
„Oddychamy i ostatecznie istniejemy w potężnym oceanie powietrza” – powiedział Métris. „Globalna pandemia jest jednym z niedawnych przykładów, który wysunął tę rzeczywistość na pierwszy plan społeczeństwa. Atmosferyczna genomika środowiskowa to ekscytująca, rozwijająca się dziedzina, której zastosowania dopiero zaczynamy badać, a niebo nie jest granicą!”
Szczegółowe ustalenia znajdują się w artykule zatytułowanym „Aircraft Surveys for air eDNA: sonding biodiversity in the sky”.
