Con unas pocas tazas de agua, los científicos usan eDNA para estudiar criaturas raras y solitarias

Nov 11, 2023

Algunas criaturas en el océano son solitarias y se esconden de las sondas y redes de arrastre humanas. Otras criaturas son raras y están al borde de la extinción por el calentamiento y las aguas cada vez más ácidas.

Estudiar criaturas raras y solitarias ha planteado problemas a los científicos en el pasado. En los últimos años, el ADN ambiental, o eDNA, ha ayudado. Para aislar eDNA, los científicos extraen agua del océano.

"Estás capturando cosas que se están cayendo del pez: escamas, baba o caca, y estás obteniendo pequeños fragmentos, células individuales y todo eso. Luego, estás tratando de encontrar esas células en una botella gigante de agua". ”, dijo Andrew Shelton, ecólogo investigador de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica.

En un viaje de dos semanas este mayo, los científicos tomaron muestras a bordo del buque de investigación Bell M. Shimada de la NOAA durante un estudio del ecosistema de la corriente del norte de California.

"Una persona recolectará muestras de agua de eDNA y vendrá a esta estación", dijo Jennifer Fisher, codirectora científica de Shimada, mientras mostraba a otros cómo usar el equipo de filtrado de eDNA.

Después de muestrear varias profundidades del océano, los científicos hicieron pasar agua por filtros del tamaño de un dólar de plata, que parecían pequeños filtros de café.

El zumbido de las bombas nubló otros ruidos en el laboratorio húmedo del barco, donde los científicos pasaron gran parte de sus casi dos semanas a bordo del barco, recopilando datos que podrían ayudar a arrojar más luz sobre el diminuto plancton y otras formas de vida marina que sirven de alimento al salmón. .

El proceso de filtración a veces era laborioso y requería mucho tiempo, dependiendo de la cantidad de suciedad en el agua. Las bombas extraían el agua a través de vasos de vidrio cubiertos con papel de aluminio. Luego, el exceso de agua fluía a través de tuberías y hacia una botella más grande.

Los científicos retiraron cuidadosamente los filtros, que esperaban que estuvieran llenos de eDNA. Los científicos usaron pinzas para colocar los filtros en tubos de plástico para analizarlos en un laboratorio terrestre.

Durante la última década, la tecnología eDNA también ha permitido a los científicos de la conservación determinar si las especies raras y en peligro de extinción están presentes en entornos particulares. Más recientemente, los administradores de pesquerías están utilizando eDNA como una herramienta para obtener más información sobre las poblaciones de peces en vastos espacios, como el océano.

Alrededor de 65 de las muestras de eDNA que los científicos recolectaron en el Shimada fueron para Nick Adams, un oceanógrafo investigador de la NOAA en Seattle. Las expediciones de inspección más adelante en la temporada también recolectaron muestras para que Adams las analizara.

Adams esperaba determinar la diversidad de fitoplancton en las muestras de agua recolectadas en el Shimada. El fitoplancton es el primer eslabón de la red alimentaria oceánica. El fitoplancton alimenta a otros organismos que come el salmón.

"Cuando hagamos nuestro análisis sofisticado, podremos decir: 'Oh, esta pieza de ADN pertenece a este organismo, esta pertenece a este organismo'", dijo Adams.

Luego, trabajará con otros científicos y los datos recopilados de la encuesta de Shimada para comparar información y obtener una imagen más amplia de lo que estaba sucediendo en el océano donde se recolectaron las muestras.

Aproximadamente tres meses después del viaje de Shimada del 6 al 17 de mayo, Adams esperó el análisis de las muestras de eDNA. Los científicos habían recolectado muestras para Adams en cada parada que hizo el barco.

Adams almacenó esas muestras en un congelador a -80 grados Celsius o -112 grados Fahrenheit.

Para preparar las muestras, colocó los filtros en un tubo con diminutas perlas de vidrio y un tampón de extracción de ADN. Luego, una máquina batidora de cuentas agitó las muestras.

"Simplemente les saca los mocos", dijo Adams. "Solo para obtener todas las pequeñas partículas, y especialmente el plancton, que estoy buscando. Algunos fitoplancton tienen estas capas de sílice y son difíciles de romper".

Es por eso que la máquina batidora de cuentas es útil. Adams luego almacenó las muestras durante la noche, incubándolas a alrededor de 132 grados Fahrenheit.

A la mañana siguiente, Adams hizo girar los tubos de muestra y retiró el tampón de extracción de ADN.

"El ADN se adherirá al vidrio con altas concentraciones de sal. Entonces, el ADN se adherirá a los tubos de vidrio. Lavas todas las cosas malas y luego usas agua u otro tipo de tampón para quitar el ADN del vidrio. Y luego tienes ADN purificado", dijo Adams.

Luego, el ADN purificado se examina en un proceso llamado secuenciación de ADN.

Una computadora de alta potencia puede comparar las secuencias de ADN con bases de datos de secuencias conocidas de ADN de fitoplancton, lo que con suerte le dará a Adams información sobre la diversidad de ADN de plancton en las muestras recolectadas en el Shimada. Los científicos esperan que la información pueda indicar si habrá buenos alimentos disponibles para el salmón en el océano.

Shelton dijo que hay muchas promesas en lo que eDNA podría hacer por la ciencia en términos de conservación y gestión pesquera. Sin embargo, todavía hay mucho espacio para que crezca el eDNA, dijo.

"Es muy moderno", dijo Shelton. "Es una especie de chico nuevo en la cuadra en este momento. Cada vez que hay un chico nuevo en la cuadra, el chico nuevo recibe mucha atención y mucho dinero".

La ciencia del eDNA todavía está en sus inicios, pero se volverá aún más relevante en los próximos años, dijo Shelton, ayudando a complementar otros tipos de encuestas de peces, como la pesca de arrastre.

En la pesca, estos otros tipos de encuestas se han realizado durante décadas. Ahora, a medida que los científicos recopilan y almacenan de forma segura los datos de eDNA, esa información seguirá dando a los científicos una idea sobre las concentraciones de peces en el océano, dijo Shelton.

"En cinco años los datos serán muy útiles. En 10 años serán muy útiles. En 20 años serán muy, muy útiles", dijo Shelton.

Recientemente, Shelton quería ver si eDNA podría mejorar la gestión de la pesca a gran escala. Anteriormente, los conservacionistas habían utilizado principalmente el eDNA.

Shelton usó eDNA para estudiar la corriente del norte de California en busca de merluza, la pesquería comercial más grande de la costa oeste. Los datos del eDNA mostraron resultados similares a los de las encuestas acústicas y de arrastre más tradicionales.

Pero, el océano es vasto. Los topógrafos podrían estar a pies de distancia de las muestras de eDNA, pero las corrientes podrían empujar el eDNA en la dirección opuesta. Una forma de evitar eso, dijo Shelton, es tomar una tonelada de muestras.

Los científicos no pueden inferir un universo de datos a partir de una muestra, dijo Shelton.

Piénselo de manera similar a buscar peces en el lago Green de Seattle, dijo.

"No sales y metes tu red de inmersión y dices, 'Cero peces en mi red de inmersión. Debe haber cero peces en Green Lake'", dijo Shelton. "Tomarías muestras alrededor del lago, en aguas poco profundas y en aguas profundas. Harías una búsqueda sistemática y reflexiva".

En todo el estado de Pullman, Meghan Parsley ha recolectado muestras de eDNA para su trabajo de doctorado, una parte del cual involucra el uso de la cantidad de eDNA para estimar el tamaño de la población de renacuajos de ranas de madera en Connecticut.

"Aquí es donde ocurre la magia", dijo Parsley, entrando en un laboratorio limpio y escaso en la Universidad Estatal de Washington.

Mantener el ADN no deseado fuera del laboratorio es difícil e implica una gran cantidad de lejía. "Tengo mucha ropa manchada con lejía", dijo Parsley.

Todo ese blanqueador ayuda a garantizar que el ADN perdido de prácticamente cualquier lugar no se mezcle con el eDNA de renacuajo que ella quiere procesar.

"Me gusta relacionarlo con hornear, ¿verdad? Hay una receta e instrucciones. Tienes que seguirla muy de cerca, pero en realidad es solo una serie de reacciones químicas en las que estás rompiendo las células para tener acceso al ADN". ", dijo Perejil.

El Laboratorio Goldberg de la Universidad Estatal de Washington, donde Parsley es miembro del laboratorio, a menudo se enfoca en especies raras con poblaciones bajas.

"Creo que eDNA realmente está cambiando la forma en que las personas piensan sobre el monitoreo y la búsqueda de dónde están las cosas", dijo.

De hecho, está trabajando para ir más allá, estudiando eRNA. Si el ADN es el modelo de un cuerpo, dijo, el ARN traduce ese modelo en acción.

Si bien Parsley dijo que el eRNA es más quisquilloso que el eDNA, dijo que quiere usar eRNA para ayudar a determinar la edad de diferentes ranas toro y salamandras tigre. Un inconveniente del eDNA en este momento es que puede ayudar a medir la cantidad de algo en lugar de ayudar a los científicos a aprender más sobre la edad, dijo Parsley, que cree que el eRNA podrá medir.

Otra área potencial futura de investigación que los científicos esperan estudiar podría usar eRNA para medir el nivel de estrés de una especie en particular, dijo Parsley.

Para determinar la edad con eRNA, está tratando de detectar renacuajos entre una población de ranas toro adultas, que son invasoras en Occidente.

Este tipo de información podría ayudar a los administradores de tierras que podrían pasar días o semanas tratando de encontrar una rana toro que escucharon a lo lejos. A veces esas ranas simplemente están de paso, dijo Parsley, a veces las ranas se están reproduciendo en un estanque cercano.

Si los administradores de tierras enviaran una muestra de agua que los científicos pudieran usar para ver si hay renacuajos de rana toro, se podría ahorrar mucho tiempo y esfuerzo, dijo Parsley.

"Estamos tratando de ayudar a discernir si una rana se está reproduciendo sin tener que pasar mucho tiempo acechando a esta rana que alguien escuchó", dijo Parsley.

Si bien eDNA o eRNA no resolverán todos los enigmas de la ciencia de la conservación, podría proporcionar otra herramienta para ayudar a los administradores de tierras en el futuro, dijo.

"¿Por qué no usar eDNA y ahorrar mano de obra y muchas horas y poder difundir el amor a otros proyectos y otras especies?", dijo Parsley.

Además, Shelton dijo que eDNA podría hacer que la ciencia fuera más equitativa. Los científicos no necesitan una flota de barcos para permanecer en el océano durante días o semanas. La tecnología podría abrir estudios para la vida silvestre en partes del mundo que no tienen tanto acceso a dólares de investigación, dijo Shelton.

"Existe esta oportunidad de difundir mucha de esta información y usarla en lugares que no están tan desarrollados", dijo Shelton.