Pesca de ADN: cómo un vaso de agua de río puede revelar secretos sobre la salud humana, la contaminación y la biodiversidad

El ADN en un solo vaso de agua puede rastrear la vida silvestre, rastrear la contaminación e investigar patógenos dentro y alrededor de las vías fluviales, todo al mismo tiempo.

El ADN se encuentra en cada célula de cada planta, animal, hongo y microbio. Lleva las instrucciones genéticas necesarias para la supervivencia, el crecimiento y el funcionamiento de un organismo, y el ADN de cada especie es único.

Los organismos arrojan ADN a su entorno. Este ADN ambiental, o ADNe, puede provenir de células que se desprenden de la piel, de esporas y polen que se mueven con el viento, o incluso simplemente de toser o estornudar. Puede proporcionar grandes cantidades de información. Los investigadores pueden utilizarlo para evaluar la biodiversidad, controlar la propagación de especies invasoras y detectar patógenos.

Los avances tecnológicos han permitido a los investigadores analizar el ADN de cientos de especies que flotan en el río Avoca. David Duffy, CC BI-ND

Los métodos de seguimiento tradicionales, como la observación de campo o la captura, pueden resultar difíciles, intrusivos y consumir mucho tiempo. El seguimiento de una especie esquiva en la naturaleza puede significar horas o días sin avistamientos, tal vez en terrenos difíciles o lugares remotos. La captura de vida silvestre puede ser estresante para los animales y depende del conocimiento experto para manejar adecuadamente la vida silvestre y colocar trampas.

Con el eDNA, los investigadores pueden recopilar información sobre una especie sin tener que verla ni interactuar con ella. Además, un vaso de agua, unas pocas onzas de arena o incluso aire aspirado a través de un filtro pueden contener suficiente información para determinar qué había en el área, incluidos humanos, vida silvestre y patógenos infecciosos.

Descifrando el código del ADN

Los investigadores secuencian fragmentos de ADN recolectados de arena, agua o aire para decodificar el orden de los componentes químicos que componen el ADN. Estas secuencias se pueden utilizar no sólo para identificar la especie de la que proceden los fragmentos de ADN, sino también para delimitar el área de donde se originó el organismo.

Hasta hace poco, los investigadores solían utilizar un enfoque llamado metabarcodes para secuenciar el ADNe. Este método crea muchas copias de marcadores genéticos cortos y específicos que los investigadores pueden utilizar para identificar especies específicas.

Aunque potente, el metacódigo de barras es selectivo por diseño. Solo encuentra aquello para lo que fue diseñado (por lo general, regiones de ADN pequeñas pero informativas llamadas códigos de barras) e ignora todo lo demás. Debido a que los fragmentos de ADN son tan cortos, es difícil conectar estos fragmentos de información. Un único código de barras no puede cubrir todas las especies de un área y no puede proporcionar información sobre los rasgos genéticos de las especies de esa área.

La información genética está en todas partes, si se tienen las herramientas para secuenciarla.

Mi equipo en el laboratorio Duffy 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 tramos largos y continuos. Todo el ADN y los rasgos de un largo fragmento aparentemente provienen de la misma persona. Como resultado, podemos secuenciar todo el ADN de cada especie, desde virus hasta vertebrados y todo lo demás.

En comparación con el metacódigo de barras, la secuenciación de escopeta es más rápida y requiere menos manipulación y procesamiento de laboratorio. La parte “escopeta” del nombre se refiere a cómo se fragmenta el ADN, se lee en fragmentos cortos y luego se vuelve a ensamblar. Esta fragmentación aleatoria y explosiva recuerda al disparo de una escopeta.

Al comparar los resultados de la secuenciación del ADN con grandes bases de datos de genoma de referencia, los investigadores pueden determinar de qué especie proviene el ADN. Este proceso proporciona una lectura de ADN completa de todo en una sola muestra.

En lugar de identificar la presencia de especies objetivo específicas, como la técnica del código de barras, la secuenciación escopeta es una instantánea amplia de las comunidades ecológicas en un área determinada. Según una estimación, los investigadores pueden detectar microbios, hongos, plantas y animales en tan solo 24 horas.

Un río rico en especies

Para probar nuestro nuevo método, mi equipo y yo recolectamos muestras de agua del río Avoca en Irlanda, comenzando cerca de su nacimiento en las montañas de Wicklow y terminando donde ingresa al Mar de Irlanda en la ciudad de Arklow. También recolectamos muestras de arena de las playas cercanas a la desembocadura del río.

Estas muestras revelaron una gran cantidad de información genética flotando a través del sistema fluvial.

Los cuadros rojos en este mapa muestran dónde los investigadores recolectaron muestras a lo largo del río Avoca. Nousias et al/NAR Genómica y Bioinformática, CC BI-NC-SA

El ADN que filtramos de las muestras de agua provino de muchos organismos que viven en el agua o cerca de ella, incluidas nutrias y ostras, zorros y peces, tejones y bacterias. Algunas de las especies que descubrimos eran comunes y fácilmente visibles a lo largo del río (vacas, ovejas, perros y humanos), mientras que otras eran más difíciles de detectar (tortugas laúd y pulpos). Algunos necesitaban lupa (moscas, gusanos microscópicos y virus).

Los investigadores también pueden utilizar el ADN ambiental para evaluar si la restauración de la biodiversidad está funcionando como se esperaba. A partir de nuestras muestras del río Avoca, descubrimos ADN de organismos con importantes consecuencias económicas y ecológicas: un hongo llamado Leptosphaeria maculans, que afecta los cultivos, y el hongo Batrachochitrium dendrobatidis, que provocó una disminución catastrófica de las poblaciones de ranas en todo el mundo. Esta es la primera vez que los investigadores descubren B. dendrobatidis en Irlanda.

Este gráfico muestra una selección de mamíferos cuyo ADN electrónico encontraron los investigadores en sus muestras de agua de río. Las líneas de diferentes colores se refieren a diferentes ubicaciones de muestra. Nousias et al/NAR Genómica y Bioinformática, CC BI-NC-SA

El ADNe no sólo puede mostrar qué especies están presentes, sino que también puede revelar sus orígenes y ayudar a los investigadores a comprender cómo migran y se dispersan. Por ejemplo, el ADNe de un mejillón azul que encontramos cerca de la desembocadura del río Avoca coincidía más estrechamente con el ADN de los mejillones encontrados en la costa de Gales (84%) y Francia (16%).

Mitigación de la contaminación

El impacto humano en el río quedó claramente reflejado en el ADNe que recopilamos.

Las muestras que recolectamos río arriba en un área escasamente poblada tenían muy poco ADN humano. Por el contrario, las muestras que tomamos cerca de la ciudad de Arklow en 2022 contenían altos niveles de ADN humano, lo que corresponde a aguas residuales sin tratar que ingresaron al río en ese momento.

Además, encontramos ADN de patógenos asociados con los humanos en el agua de los ríos y la arena de las playas. Estos incluyen bacterias como el estreptococo, parásitos como la Entamoeba y patógenos de transmisión sexual como la clamidia, el herpes y la gonorrea.

Estas muestras filtradas del río Avoca están listas para la extracción de ADNe. David Duffy, CC BI-ND

Cuando volvimos a recolectar muestras en 2024, la señal del ADN humano prácticamente había desaparecido. Esto coincidió con la construcción de una tubería que conduce a la nueva Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Arklow, desviando los desechos humanos del río.

La capacidad de identificar la vida silvestre, la actividad humana y los patógenos, todo a partir de una sola muestra de agua, resalta el potencial de un enfoque amplio de One Health para la vigilancia de la salud ambiental. En principio, es posible utilizar eDNA para identificar simultáneamente fuentes de contaminación y patógenos emergentes, monitorear especies invasoras y rastrear reservorios ecológicos de enfermedades, casi en tiempo real.

Toda la naturaleza en pocas palabras

El ADN ambiental ofrece una nueva forma de monitoreo de ecosistemas. En lugar de realizar una vigilancia ambiental a través de lentes separados de la zoología, la botánica, la microbiología y la epidemiología, el eDNA actúa como un observatorio genómico continuo.

Este enfoque todo en uno para el monitoreo de ecosistemas se está volviendo más fácil a medida que el costo de la secuenciación del ADN continúa cayendo, los avances tecnológicos permiten secuenciar fragmentos de ADN más largos y la potencia informática mejora.

Un solo vaso de agua puede revelar secretos increíbles que fluyen bajo la superficie de un río. La biodiversidad dentro y alrededor del agua, los efectos de la contaminación y la recuperación, y la hermosa complejidad de ecosistemas enteros están esperando ser descubiertos.