Revolucionarias técnicas que utilizan rastros de ADN ambiental están analizando ecosistemas completos "desde microbios hasta ballenas"
Hilary Starks no podía esperar para obtener sus primeras tres muestras del día. En 2015 estaba parada expectante en la cubierta del buque de investigación de 117 pies Western Flyer, buscando en las aguas de la Bahía de Monterey en California. El cabrestante en la cubierta comenzó a moverse mientras las poleas y los cables levantaban lentamente lo que ella estaba esperando: un sumergible de cinco pies con grandes botellas de plástico llenas de agua de mar.
Starks, entonces técnica de laboratorio en la Universidad de Stanford, sabía que había innumerables fragmentos de información genética flotando en las botellas de un litro, ocultos a los ojos humanos. Y las modernas máquinas de descifrado de ADN revelarían más tarde secretos sobre el ecosistema sobre el que navegaba el Western Flyer.
La Bahía de Monterey es el hogar de cientos de especies de animales marinos, pero los científicos aún están lejos de saber exactamente cuántos hay de cada uno, o cómo se mueven e interactúan entre sí. Ahora los investigadores están analizando los pequeños rastros de ADN que los animales dejan en el medio ambiente, para estudiar sus números y ubicaciones de manera no invasiva.
Las modernas tecnologías de secuenciación de genes han avanzado tanto que el análisis de dicho ADN ambiental, o eDNA, a partir de pequeñas muestras de agua o suelo podría revolucionar la forma en que los científicos entienden la ecología y la conservación en los ecosistemas de todo el mundo.
"Es realmente notable que en el siglo XXI todavía no podamos decir exactamente qué vive en el océano", dice Barbara Block, una científica marina de Stanford que ha estado monitoreando durante décadas peces en el Pacífico y el Atlántico. Pero hoy, solo un litro de agua del océano, que alberga millones de secuencias genéticas, puede contar muchas historias sobre la historia ecológica de un lugar.
A medida que la acidificación de los océanos y el cambio climático se conviertan en la nueva realidad, los científicos se preguntan qué pasará con la distribución y el bienestar de las plantas y los animales. "Monitorear las comunidades y los ecosistemas será mucho más fácil mediante métodos de ADN", dice Elizabeth Andruszkiewicz Allan, ingeniera ambiental de la Institución Oceanográfica Woods Hole en Massachusetts que analizó las muestras de Stark mientras estaba en Stanford. "Se toma una muestra de agua y se busca todo, desde microbios hasta ballenas".
De la misma manera que eliminamos constantemente las células muertas que contienen ADN, las criaturas en los océanos, desde las bacterias hasta las enormes ballenas azules, dejan signos ambientales invisibles de su presencia. Las herramientas de secuenciación de hoy en día son tan poderosas que los investigadores pueden detectar ahora estos pequeños rastros de ADN diseminados en el medio ambiente y, con refinados métodos computacionales, averiguar de qué criaturas provienen.
Encontrar lo obvio y lo esquivo
Para usar eDNA para rastrear especies, los científicos primero multiplican, luego leen, los segmentos encontrados en una muestra. Luego los relacionan con secuencias de ADN conocidas de especies de interés.
En un estudio en 2012, por ejemplo, Philip Francis Thomsen, antes en el Museo de Historia Natural de Dinamarca y ahora en la Universidad de Aarhus, y sus colegas recolectaron agua de mar de sitios alrededor del Mar Báltico. Detectaron eDNA de marsopas de puerto y ballenas piloto de aletas largas, esta última una especie rara vez vista en el Báltico, lo que demuestra que la tecnología tenía el potencial de "encontrar" especies esquivas.
Y el año pasado investigadores rastrearon en Alaska la abundancia de salmones en desove en un pequeño arroyo analizando el ADN del salmón en el agua, descubriendo que es posible usar eDNA para estimar la abundancia de una sola especie en un lugar específico incluso en aguas corrientes.
A veces, los científicos usan una versión de la técnica conocida como metasecuenciación para evaluar el ADN de grupos enteros de organismos, proporcionando una imagen más amplia de la biodiversidad en un lugar en el océano. Esto tiene tres ventajas clave en comparación con las formas tradicionales de estudiar la biodiversidad: es muy sensible, es más barato y no es invasivo.
"Para recolectarlo, muy a menudo tienes que matar lo que sea que te interese", dice Starks, que utiliza la secuenciación de ADN e en su trabajo en la empresa de consultoría Cramer Fish Sciences. "Es bueno poder no tener que hacer eso".
Buceando
El uso del análisis de eDNA en el océano comenzó a fines de la década de 1980, cuando los científicos comenzaron a analizar el ADN en las floraciones microbianas. Ahora los científicos de todo el mundo están estudiando todo tipo de criaturas y ecosistemas para conocer las complejidades de las comunidades marinas.
Thomsen, por ejemplo, ha utilizado eDNA para estudiar los tiburones ballena en el Golfo Arábigo y la ecología de los peces en las profundidades de la costa de Groenlandia. Los científicos en el sur de California han detectado con eDNA tiburones blancos. Investigadores en Alaska han estudiado la marsopa de puerto, esquiva en esas aguas. Los científicos australianos pudieron detectar recientemente señales de todos los grupos principales de la vida en la Bahía de Coral de esa nación utilizando la metodología eDNA.
"Creo que tendrá un gran impacto en nuestra comprensión no solo de la dinámica de las comunidades, sino también de la presencia y ausencia de especies", dice Melania Cristescu, una genómica ecológica de la Universidad McGill en Canadá, cuyo trabajo se enfoca en el eDNA en ambientes de agua dulce. "Eso es lo que me emociona".
Investigadores en la Bahía de Monterey comenzaron hace seis años a estudiar el eDNA de los animales que viven en el área, cuando Ryan Kelly, entonces investigador del Centro de Soluciones Oceánicas de Stanford, se propuso comparar el muestreo de eDNA con las encuestas tradicionales de biodiversidad. Kelly se preguntó si analizar eDNA sería un método preciso y más rápido y fácil que hacer que los buzos cuenten físicamente los animales bajo el agua.
Sabía que el ADN se degrada rápidamente en el océano, por lo que primero quería probar qué tan confiable y sensible podría ser la tecnología de ADN. Con ese fin, comenzó su trabajo en un entorno controlado en el Acuario de la Bahía de Monterey, donde el Open Sea Tank de 4.5 millones de litros alberga 12 especies de animales, incluidas sardinas del Pacífico, caballa y tortugas marinas.
"Aquí tenemos una comunidad conocida: podemos ver los peces en el tanque", recuerda Kelly haber pensado. "Si sacamos un litro de agua de esto, ¿podemos ver la genética del ADN de los peces que están allí?"
Su equipo recolectó muestras de agua del tanque y probó el eDNA. El equipo no solo detectó el eDNA de la mayoría de los grupos de peces óseos residentes en el tanque, sino que el método también identificó el ADN de las especies alimenticias comidas por esos animales.
Más allá de lo que los buzos pueden ver
Luego, Kelly quería mirar el eDNA en el océano. Le preocupaba que el eDNA en el agua de mar pudiera ser transportado a largas distancias por las corrientes y que, por lo tanto, las muestras pudieran no representar la biodiversidad real de un sitio. Entonces, en 2013, él y su equipo pusieron a prueba esta preocupación en las bien estudiadas aguas de Pacific Grove, una ciudad al noroeste de Monterey. Junto con el trabajo de eDNA, los buzos también registraron las especies de vertebrados que vieron en los sitios de muestra, incluidos peces de roca, peces, bagres y focas.
Los buzos vieron 12 tipos de peces y mamíferos marinos. La técnica de eDNA detectó 11 de estos. Pero el análisis genético también reveló 18 peces, mamíferos y aves adicionales que se perdieron las encuestas visuales a pesar de que se sabe que los animales viven allí. El equipo de Kelly también descubrió que el análisis de eDNA podría distinguir entre hábitats a una distancia de hasta 60 metros. Después de este trabajo, el biólogo marino Collin Closek, también en el Centro de Soluciones Oceánicas, descubrió de manera similar que el eDNA de muestras de agua de la Bahía de Monterey no probadas coincidía con las observaciones visuales de anchoas y ballenas jorobadas registradas al mismo tiempo.
En otras palabras, "eDNA no solo se mueve a todas partes; no solo se desliza alrededor del océano", dice Kelly, ahora en la Universidad de Washington. “Se queda en un solo lugar. Y eso fue realmente importante saberlo".
Buscando más y más profundo
Pero los investigadores solo habían explorado hasta ahora las aguas cercanas a la costa. Es por eso que, en septiembre de 2015, Starks se embarcó en el Western Flyer para descubrir qué secretos submarinos eDNA podrían revelar mucho más lejos, en el océano abierto.
Cuando el sumergible cargado de botellas surgió de aguas profundas, Starks vertió las muestras de agua de mar a través de pequeños filtros de plástico para capturar todo el material genético flotante. Luego colocó los filtros en un congelador a bordo a –80°C para que el ADN permaneciera intacto hasta que Andruszkiewicz Allan pudiera analizarlo en el laboratorio. Durante dos días, el Western Flyer vagó por el océano mientras una Starks privada de sueño trabajó durante todo el día para extraer 63 muestras más de toda la Bahía de Monterey.
El análisis de laboratorio reveló eDNA de 72 especies de peces y mamíferos, incluidos tiburones, arenques, peces linterna y peces luna. Algunos eran habitantes de las profundidades que los científicos no habían conocido previamente en la Bahía de Monterey habitada, como los wrymouths de cuerpo largo, también conocidos como peces fantasma.
Los investigadores en el área apuntan a aprender aún más del eDNA. Los científicos del Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey han utilizado robots sumergibles para automatizar la recolección de muestras de agua de la bahía. Andruszkiewicz Allan está trabajando en un proyecto para modelar cómo se mueve el eDNA en el océano para que uno pueda saber dónde y cuándo un animal arrojó originalmente el material genético.
Stanford’s Block, que ha estado marcando durante años tiburones blancos a lo largo de la costa del Pacífico, está utilizando eDNA para estimar su abundancia y, en el laboratorio, está tratando de desarrollar una prueba para detectar el sexo y el estado reproductivo del atún rojo en la bahía. "Creo que es importante tener una nueva tecnología que no sea una red de pesca para evaluar quién está allí", dice ella.
Búsqueda mejorada de peces
El ADN ambiental también podría ayudar a monitorear las poblaciones de peces cada año. Varias especies de salmones solían nadar en la región de la Bahía de Monterey, dice Closek, pero ahora son raras, y los científicos quisieran saber dónde están y si están regresando. El uso de eDNA podría rastrear esas especies y determinar si están volviendo a lugares donde habitaron históricamente.
Los investigadores también están ansiosos por aprender más sobre las ballenas. Las jorobadas fueron cazadas agresivamente en el Pacífico durante el siglo XIX y principios del siglo XX y su población, que alguna vez fue de 15.000, disminuyó a 1.200 en 1966. Desde que recibió protección federal hace medio siglo, su número ha aumentado, llegando a al menos 18.000 en los últimos años. "Nuestra comprensión de dónde están ubicadas esas ballenas se puede mejorar aún más al poder tener estas ubicaciones de eDNA", dice Closek.
Los científicos también esperan que estos estudios puedan informar las decisiones políticas a través de la detección de especies difíciles de distinguir y en peligro de extinción en un lugar, o especies invasoras que amenazan la vida silvestre nativa. El Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE. UU. ha utilizado eDNA desde 2013 para controlar dos especies invasoras de carpas asiáticas en los Grandes Lagos y sus alrededores, por ejemplo. "El eDNA proporciona la visión del mundo viviente aquí y ahora que exigen las decisiones políticas", escribieron once investigadores, incluidos Kelly y Thomsen, en un artículo publicado en 2014 en Science.
No tan rápido
Los métodos de ADN ambiental tienen sus inconvenientes. Cada paso, desde la recolección de muestras hasta los resultados, puede salir mal: “Tienes que estar muy limpio”, dice Cristescu. Muy pocos laboratorios, agrega, tienen los estándares de limpieza necesarios para el trabajo con eDNA, por lo que son altas las posibilidades de "encontrar" especies que no están realmente presentes. Y a pesar de la sensibilidad, también es posible pasar por alto especies que están allí si la cantidad de eDNA es demasiado escasa o demasiado degradada, o si un paso clave en la técnica no se realiza correctamente.
El ADN ambiental tampoco puede revelar información sobre el sexo o la edad de los individuos de una especie, por lo que en el corto plazo la tecnología probablemente no reemplazará las encuestas tradicionales. Pero ciertamente puede complementarlos. "Esto es solo una red diferente" para atrapar animales, dice Kelly.
"Es una nueva frontera de cómo estamos viendo el mundo de una manera realmente diferente", dice. "¿Quién no querría mirar en un vaso de agua de mar y ver estrellas de mar y orcas y todo lo demás?"
