Nowa metoda jest szybka, tania i przeznaczona dla osób niebędących ekspertami

Czy pojedyncza butelka wody oceanicznej może zawierać wystarczającą ilość skrawków materiału genetycznego, aby naukowcy mogli zidentyfikować praktycznie wszystkie ryby, plankton, mięczaki, ssaki morskie i inne organizmy z tego miejsca?

Brzmi jak science fiction, ale nim nie jest. Rozwijająca się dziedzina środowiskowego DNA (eDNA) jest bardzo realna, a naukowcy szybko badają sposoby uczynienia tej przełomowej technologii bardziej użyteczną i dostępną dla osób niebędących naukowcami.

To właśnie zmotywowało naukowca z NOAA, Zachary’ego Golda, do podjęcia próby napisania przewodnika, który pomoże menedżerom zasobów morskich, którzy mogą nie mieć doświadczenia w ekologii molekularnej, zrozumieć, jak zbierać próbki i wydobywać szczegółowe informacje o różnorodności biologicznej ich obszarów badawczych. Przewodnik, napisany wspólnie z zespołem badaczy z całego kraju, został niedawno opublikowany w czasopiśmie PeerJ.

Naukowiec z PMEL, Zachary Gold, zbiera próbki eDNA w rzece Twentymile na Alasce, badając sezonowe zmiany w społecznościach ryb związanych z wzorcami żerowania wielorybów Beluga w sierpniu 2021 r. Źródło: Zachary Gold, NOAA

„Fajne jest to, że z perspektywy pracy w terenie eDNA jest niezwykle proste” – powiedział Gold, naukowiec z Pacific and Environmental Marine Laboratory. „To tak proste, jak napełnienie butelki wodą, więc bardzo dobrze nadaje się do projektów naukowych społeczności i obywateli”.

„Analiza w laboratorium to miejsce, w którym do gry wkracza najnowocześniejsza nauka”.

Co to jest metabarkodowanie eDNA?

DNA, czyli kwas dezoksyrybonukleinowy, to materiał genetyczny występujący w komórkach niemal wszystkich organizmów. Ma fizyczną strukturę skręconej drabiny lub podwójnej helisy. Dokładna sekwencja czterech zasad nukleotydowych, które tworzą „szczeble” drabiny, koduje wszystkie instrukcje potrzebne organizmowi do rozwoju, przeżycia i rozmnażania. Genetycy nauczyli się dekodować kolejność tych nukleotydów, proces zwany sekwencjonowaniem genetycznym, który zapewnia genetyczny odcisk palca organizmu.

Ta ilustracja podsumowuje metody metabarkodowania eDNA zastosowane w badaniu pilotażowym Ports Complex. Źródło: Zachary Gold, NOAA

Rewolucja eDNA zrodziła się z uznania, że ​​każdy organizm nieustannie pozostawia po sobie ślady wchodząc w interakcje ze środowiskiem, które gromadzą się w glebie, wodzie, śniegu i powietrzu. Szybki postęp w technologii sekwencjonowania genetycznego pozwolił naukowcom amplifikować, sortować, a następnie analizować niewielkie ilości tych pomieszanych fragmentów DNA, dopasowując sekwencje kodu genetycznego w próbce do wcześniej zidentyfikowanych gatunków, które są skatalogowane w bazie danych kodów kreskowych DNA. Metabarkodowanie pozwala na jednoczesną identyfikację wielu organizmów w tej samej próbce.

Nowe instrumenty umożliwiają jednoczesne przeprowadzanie sekwencjonowania od dziesiątek do setek próbek. Analiza zidentyfikowanych organizmów zapewnia wgląd w bogactwo gatunków na danym obszarze, określa, które siedliska preferują określone gatunki, i – co ważne – śledzi rozprzestrzenianie się gatunków inwazyjnych lub zmiany w zasięgu gatunków w wyniku zmian klimatu.

„Referencyjne bazy danych kodów kreskowych to„ kamień z Rosetty ”, który łączy unikalne sekwencje DNA z nazwami gatunków organizmów wydalających eDNA do swojego środowiska” – powiedział Gold. „Można sobie wyobrazić, że menedżerowie byliby straceni, gdyby otrzymali surowe sekwencje” — powiedział Gold. „Co robisz z terabajtami As, Cs. T i G? powiedział, odnosząc się do naukowego skrótu czterech nukleotydów, z których składa się całe DNA.

Erick Zerecero (po lewej) i Zachary Gold pobierają próbki eDNA w morskich obszarach chronionych i poza nimi w południowej Kalifornii w sierpniu 2017 r., kiedy obaj byli doktorami. studenci na UCLA. Źródło: Rachel Turba

Warto przeczytać!  Prenatalne badania genetyczne: przejrzyście poruszaj się po ciąży

Na szczęście istnieje teraz wiele firm, które wykonają analizę sekwencjonowania i kodów kreskowych, dopasowując sekwencje genetyczne do gatunków – kosztem około jednej trzeciej tradycyjnego badania wizualnego.

Jazda próbna na wybrzeżu Pacyfiku

Aby przetestować nowe podejście, Gold i badacze z UCLA, UC Santa Cruz i Muzeum Historii Naturalnej w Los Angeles współpracowali z menedżerami zasobów w portach w Los Angeles i Long Beach, aby wdrożyć program pilotażowy w najbardziej ruchliwym kompleksie portowym w kraju.

„Zarządcy portów, którzy byli współautorami artykułu, nie byli biologami molekularnymi” – powiedział Gold. „Ich najważniejsze pytanie brzmiało:„ Wykonujemy wiele włoków pelagicznych, chcemy zobaczyć, jak się ze sobą łączą”.

Powiedział, że metoda metabarkodowania eDNA wykryła 16 z 17 gatunków zebranych podczas badań włokami na tym samym obszarze i zidentyfikowała dodatkowe 55 rodzimych ryb, których nie wykryły badania włokami.

„To badanie rzeczywiście wykazało, że metody metabarkodowania eDNA były stosunkowo skuteczne w wykrywaniu szerokiego zakresu taksonów morskich w obu portach morskich” – powiedział Justin Luedy, specjalista ds. Planowania środowiskowego w Port of Long Beach, jeden ze współautorów badania. Zauważył, że w ramach projektu pilotażowego powstały nowe referencyjne kody kreskowe dla 16 gatunków ryb, z których dziewięć nigdy wcześniej nie było skatalogowanych, w tym halibut kalifornijski, królowa ryb i labraks.

Chociaż zespół nie zebrał wystarczającej ilości danych dotyczących włoków, aby przeanalizować liczebność gatunków, Gold powiedział, że do mapowania zmian zasięgu klimatu, monitorowania gatunków zagrożonych lub inwazyjnych oraz eksploracji oceanów „to narzędzie jest gotowe”.

eDNA w NOAA

W całej NOAA naukowcy stosują eDNA i inne metody pomiaru molekuł biologicznych – dziedzinę zwaną „omiką” – w celu wspierania zrównoważonego rybołówstwa i akwakultury, odkrywania korzystnych związków chemicznych oraz ochrony wrażliwych gatunków i siedlisk, takich jak koralowce, które zapewniają niezbędne siedliska rybom i napędzać gospodarkę turystyczną. Wdrażają metody eDNA na dużą skalę w oceanie, demonstrując ich dokładność w porównaniu z innymi technikami i, podobnie jak w przypadku projektu Golda, udowadniając jej potencjalną wartość menedżerom zasobów.

Jednym z bezpośrednich celów jest zwiększenie liczby publicznie dostępnych genetycznych baz danych o wysokiej jakości. Gold szacuje, że mniej niż 30% wszystkich gatunków bezkręgowców w południowej Kalifornii ma referencyjne kody kreskowe.

„eDNA to szybko rozwijająca się dziedzina nauki, a NOAA przesuwa granice wykorzystania tych narzędzi do zrozumienia wpływu zmiany klimatu i zakwaszenia oceanów na rybołówstwo i ekosystemy morskie, mapowania zagrożonych i inwazyjnych gatunków, charakteryzowania szkodliwych zakwitów glonów i badania naszych oceanów” – powiedział Gold. „eDNA ma potencjał, by zrewolucjonizować biologię i zarządzanie zasobami w sposób, w jaki teledetekcja zrewolucjonizowała rolnictwo, oceanografię, hydrologię i prognozowanie pogody. Podobnie jak w przypadku teledetekcji i technologii satelitarnej, NOAA wraz z naszymi federalnymi agencjami partnerskimi pomaga przewodzić w wykorzystaniu eDNA na dużą skalę”

Zapoznaj się dokładnie z tym, jak NOAA używa eDNA i powiązanych narzędzi na stronie Omics Rady Naukowej NOAA: https://sciencecouncil.noaa.gov/NOAA-Science-Technology-Focus-Areas/NOAA-Omics

19