El ADN ambiental está en todas partes. Los científicos lo están recopilando todo.

La capacidad de extraer trazas de ADN del suelo, el agua e incluso el aire está revolucionando la ciencia. ¿Existen riesgos?

por Amin Al-Habaibeh y Peter Andrey Smith

A finales de la década de 1980, en un centro de investigación federal en Pensacola, Florida, Tamar Barkay utilizó el lodo de una forma revolucionaria, algo que jamás imaginó en aquel momento: una versión rudimentaria de una técnica que ahora está revolucionando muchos campos científicos. Barkay había recolectado varias muestras de lodo: una de un embalse interior, otra de un pantano salobre y una tercera de un pantano salado de baja altitud. Colocó estas muestras de sedimento en botellas de vidrio en el laboratorio y luego añadió mercurio, creando lodo tóxico.

En aquel entonces, Barkay trabajaba para la Agencia de Protección Ambiental y quería saber cómo los microorganismos del lodo interactúan con el mercurio, un contaminante industrial, lo que requería comprender todos los organismos de un entorno determinado, no solo la pequeña porción que podía cultivarse con éxito en placas de Petri en el laboratorio. Pero la pregunta subyacente era tan básica que sigue siendo una de esas preguntas fundamentales que impulsan la biología. Como lo expresó Barkay, ahora jubilada, en una entrevista reciente desde Boulder, Colorado: “¿Quiénes están ahí?”. Y, con igual importancia, añadió: “¿Qué están haciendo ahí?”.

Estas preguntas siguen siendo pertinentes hoy en día, formuladas por ecologistas, funcionarios de salud pública, biólogos conservacionistas, profesionales forenses y aquellos que estudian la evolución y los ambientes antiguos, y llevan a epidemiólogos y biólogos a viajar a los rincones más remotos del mundo.

El artículo de 1987 que Barkay y sus colegas publicaron en el Journal of Microbiological Methods describió un método —la «Extracción Directa de ADN Ambiental»— que permitiría a los investigadores realizar un censo. Era una herramienta práctica, aunque bastante engorrosa, para detectar la presencia de seres vivos. Barkay la utilizó durante el resto de su carrera.

Hoy en día, el estudio se cita como un primer atisbo del ADN ambiental, una forma relativamente económica, generalizada y potencialmente automatizada de observar la diversidad y distribución de la vida. A diferencia de las técnicas anteriores, que podían identificar el ADN de, por ejemplo, un solo organismo, el método también recopila la nube de material genético que lo rodea. En los últimos años, el campo ha crecido significativamente. «Tiene su propia revista», afirmó Eske Willerslev, genetista evolutivo de la Universidad de Copenhague. «Tiene su propia sociedad, una sociedad científica. Se ha consolidado como un campo».

Todos somos frágiles, ¿verdad? Se desprenden restos celulares constantemente.

El ADNe sirve como herramienta de vigilancia, ofreciendo a los investigadores un medio para detectar lo aparentemente indetectable. Al tomar muestras de ADNe, o mezclas de material genético (es decir, fragmentos de ADN, el mapa de la vida) en agua, suelo, núcleos de hielo, hisopos de algodón o prácticamente cualquier entorno imaginable, incluso el aire, ahora es posible buscar un organismo específico o recopilar una instantánea de todos los organismos en un lugar determinado. En lugar de instalar una cámara para ver quién cruza la playa de noche, el ADNe extrae esa información de las huellas en la arena. “Todos somos escamosos, ¿verdad?”, dijo Robert Hanner, biólogo de la Universidad de Guelph en Canadá. “Hay fragmentos de restos celulares desprendiéndose constantemente”.

Como método para confirmar la presencia de algo, el ADNe no es infalible. Por ejemplo, el organismo detectado en el ADNe podría no vivir en el lugar donde se tomó la muestra; Hanner puso el ejemplo de una garza que se comió una salamandra y luego defecó parte de su ADN, lo que podría ser una de las razones por las que se encuentran señales del anfibio en zonas donde nunca se han encontrado físicamente.

Aun así, el eDNA tiene la capacidad de ayudar a descubrir rastros genéticos, algunos de los cuales se desprenden en el ambiente, ofreciendo una forma emocionante, y potencialmente escalofriante, de recolectar información sobre los organismos, incluidos los humanos, a medida que realizan sus actividades cotidianas.

…

La base conceptual del ADNe —que se pronuncia EE-DI-EN-AY, no ED-NUH— se remonta a cien años atrás, antes del advenimiento de la llamada biología molecular, y a menudo se atribuye a Edmond Locard, criminólogo francés que trabajó a principios del siglo XX. En una serie de artículos publicados en 1929, Locard propuso un principio: todo contacto deja un rastro. En esencia, el ADNe traslada el principio de Locard al siglo XXI.

Durante las primeras décadas, el campo que dio origen al ADNe —incluido el trabajo de Barkay en la década de 1980— se centró principalmente en la vida microbiana. Al analizar su evolución en retrospectiva, el ADNe pareció tardar en salir del atolladero.

No fue hasta 2003 que el método descubrió un ecosistema desaparecido . Dirigido por Willerslev, el estudio de 2003 extrajo ADN antiguo de menos de una cucharadita de sedimento, demostrando por primera vez la viabilidad de detectar organismos más grandes con la técnica, incluyendo plantas y mamuts lanudos. En el mismo estudio, el sedimento recolectado en una cueva de Nueva Zelanda (que, curiosamente, no había sido congelado) reveló un ave extinta: el moa. Lo más destacable es que estas aplicaciones para estudiar el ADN antiguo se originaron a partir de una prodigiosa cantidad de excrementos arrojados al suelo hace cientos de miles de años.

A Willerslev se le había ocurrido la idea unos años antes, mientras contemplaba un montón de estiércol más reciente: entre su maestría y su doctorado en Copenhague, se encontraba desorientado, luchando por conseguir huesos, restos óseos u otros especímenes físicos para estudiar. Pero un otoño, recordó, miró por la ventana a “un perro defecando en la calle”. La escena lo llevó a pensar en el ADN de las heces y en cómo se desvanecía con la lluvia, sin dejar rastro visible. Pero Willerslev se preguntó: “¿Podría ser que el ADN sobreviviera?”. Eso fue lo que me propuse averiguar.

El artículo demostró la notable persistencia del ADN, que, según él, sobrevive en el medio ambiente durante mucho más tiempo del que sugerían estimaciones previas. Desde entonces, Willerslev ha analizado ADN ambiental en la tundra helada de la actual Groenlandia, que data de hace 2 millones de años, y está trabajando con muestras de Angkor Wat, el enorme complejo de templos de Camboya que se cree fue construido en el siglo XII. «Debería ser la peor conservación de ADN que puedas imaginar», dijo. «Es decir, hace calor y hay humedad».

Pero, dijo, “podemos obtener ADN”.

El eDNA tiene la capacidad de ayudar a descubrir rastros genéticos, ofreciendo una forma emocionante —y potencialmente escalofriante— de recopilar información sobre los organismos a medida que realizan sus actividades cotidianas.

Willerslev no es el único que ve una herramienta potencial con aplicaciones aparentemente ilimitadas, especialmente ahora que los avances permiten a los investigadores secuenciar y analizar mayores cantidades de información genética. «Es una ventana abierta a muchísimas cosas», dijo, «y estoy seguro de que muchas más de las que puedo imaginar». No se trataba solo de mamuts antiguos; el ADNe podría revelar organismos actuales que se esconden entre nosotros.

Los científicos usan el eADN para rastrear criaturas de todas las formas y tamaños, ya sea una sola especie, como pequeños trozos de algas invasoras, anguilas en el lago Ness o un topo ciego que vive en la arena y que no se ha visto en casi 90 años; los investigadores toman muestras de comunidades enteras, por ejemplo, mirando el eADN encontrado en las flores silvestres o el eADN que vuela en el viento como un indicador de todas las aves y abejas visitantes y otros animales polinizadores.

…

El siguiente salto evolutivo en la historia del eDNA se concretó en torno a la búsqueda de organismos que actualmente viven en los ambientes acuáticos de la Tierra. En 2008, apareció un titular : “El agua retiene la memoria del ADN de especies ocultas”. No provino del tabloide de supermercado, sino de la respetada publicación comercial Chemistry World, que describía el trabajo del investigador francés Pierre Taberlet y sus colegas. El grupo buscó ranas toro marrones y verdes, que pueden pesar más de 2 libras y, debido a que arrasan con todo a su paso, se consideran una especie invasora en Europa occidental. Encontrar ranas toro generalmente requería herpetólogos expertos que escaneaban las costas con binoculares que luego regresaban después del atardecer para escuchar sus cantos. El artículo de 2008 sugería una manera más fácil: un estudio que requería mucho menos personal.

«Se pudo obtener ADN de esa especie directamente del agua», afirmó Philip Thomsen, biólogo de la Universidad de Aarhus (que no participó en el estudio). «Y eso realmente impulsó el campo del ADN ambiental».

Las ranas pueden ser difíciles de detectar, y no son, por supuesto, la única especie que elude la detección más tradicional, sobre el terreno. Thomsen comenzó a trabajar en otro organismo que notoriamente confunde la medición: los peces . A veces se dice que contar peces se asemeja vagamente a contar árboles, excepto que están en libertad, en lugares oscuros, y los contadores de peces hacen su recuento con los ojos vendados. El ADN ambiental dejó caer la venda. Una revisión de la literatura publicada sobre la tecnología, aunque venía con salvedades, incluyendo detecciones imperfectas e imprecisas o detalles sobre la abundancia, encontró que los estudios de eDNA en peces y anfibios de agua dulce y marina superaban en número a sus contrapartes terrestres 7:1.

En 2011, Thomsen, entonces candidato a doctorado en el laboratorio de Willerslev, publicó un artículo que demostraba que el método podía detectar especies raras y amenazadas, como las que se encuentran en baja abundancia en Europa, incluyendo anfibios, mamíferos como la nutria, crustáceos y libélulas. «Demostramos que con solo un vaso de agua era suficiente para detectar estos organismos», declaró a Undark . Estaba claro: el método tenía aplicaciones directas en biología de la conservación para la detección y el monitoreo de especies.

En 2012, la revista Molecular Ecology publicó un número especial sobre el ADNe , y Taberlet y varios colegas describieron una definición práctica del ADNe como cualquier ADN aislado de muestras ambientales. El método describía dos enfoques similares, pero ligeramente diferentes: se puede responder a una pregunta de sí o no: ¿Está presente la rana toro (o lo que sea) o no? Esto se hace escaneando el código de barras metafórico, secuencias cortas de ADN específicas de una especie o familia, llamadas cebadores; el escáner de caja es una técnica común llamada reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa en tiempo real o qPCR.

Los científicos utilizan eDNA para rastrear criaturas de todas las formas y tamaños, ya sean pequeños trozos de algas invasoras, anguilas en el lago Ness o un topo ciego que vive en la arena y que no ha sido visto en casi 90 años.

Otro enfoque, conocido comúnmente como metacodificación de barras de ADN, básicamente genera una lista de organismos presentes en una muestra dada. “En cierto modo, te preguntas: ¿qué hay aquí?”, dijo Thomsen. “Y entonces obtienes todo lo conocido, pero también algunas sorpresas, ¿verdad? Porque había algunas especies cuya presencia desconocías”.

Uno busca encontrar la aguja en el pajar; el otro intenta revelarlo todo. El ADN ambiental difiere de las técnicas de muestreo más tradicionales, en las que organismos como los peces se capturan, manipulan, someten a estrés y, en ocasiones, se sacrifican. Los datos obtenidos son objetivos, estandarizados e imparciales.

“El ADNe, de una forma u otra, seguirá siendo una de las metodologías más importantes en las ciencias biológicas”, afirmó Mehrdad Hajibabaei, biólogo molecular de la Universidad de Guelph, pionero del método de metacodificación de barras y quien rastreó peces a unos 3000 metros de profundidad en el mar de Labrador. “Todos los días veo surgir algo que no se me había ocurrido”.

…

En los últimos años, el campo del ADNe se ha expandido. La sensibilidad del método permite a los investigadores muestrear entornos previamente inaccesibles, por ejemplo, capturando ADNe del aire, un enfoque que destaca las promesas del ADNe y sus posibles inconvenientes. El ADNe aerotransportado parece circular en un cinturón de polvo global, lo que sugiere su abundancia y omnipresencia, y puede filtrarse y analizarse para monitorear plantas y animales terrestres. Sin embargo, el ADNe transportado por el viento puede provocar contaminación accidental.

En 2019, Thomsen, por ejemplo, dejó dos botellas de agua ultrapura a la intemperie: una en una pradera y la otra cerca de un puerto. Tras unas horas, el agua contenía ADN ambiental detectable asociado a aves y arenques, lo que sugería que restos de especies no terrestres se habían asentado en las muestras; los organismos, obviamente, no habitaban en las botellas. «Así que debe provenir del aire», declaró Thomsen a Undark. Los resultados sugieren un doble problema: por un lado, las trazas pueden circular, de modo que dos organismos que entran en contacto pueden transportar el ADN del otro, y la presencia de cierto ADN no implica que la especie esté realmente presente.

Además, no hay garantía de que la presencia de eADN indique que una especie está viva, y aún se necesitan estudios de campo, afirmó, para comprender el éxito reproductivo de una especie, su salud o el estado de su hábitat. Hasta ahora, el eADN no reemplaza necesariamente las observaciones físicas ni las recolecciones. En otro estudio, en el que el grupo de Thomsen recolectó eADN en flores para buscar aves polinizadoras, más de la mitad del eADN reportado en el artículo provino de humanos, contaminación que potencialmente enturbió los resultados y dificultó la detección de los polinizadores en cuestión.

De igual manera, en mayo de 2023, un equipo de la Universidad de Florida, que previamente había estudiado tortugas marinas a partir de los rastros de ADNe que dejan al arrastrarse por la playa, publicó un artículo que reveló ADN humano. Las muestras estaban lo suficientemente intactas como para detectar mutaciones clave que algún día podrían utilizarse para identificar a personas individuales, lo que sugiere que la vigilancia biológica también planteó preguntas sin respuesta sobre las pruebas éticas en humanos y el consentimiento informado. Si el ADNe sirviera como red de cerco, entonces absorbería indiscriminadamente información sobre la biodiversidad y, inevitablemente, terminaría, como lo expresó el artículo del equipo de la UF, con “captura incidental genética humana”.

Si bien los problemas de privacidad en torno a las huellas en la arena parecen, hasta ahora, ser principalmente hipotéticos, el uso de eADN en litigios relacionados con la vida silvestre no solo es posible, sino que ya es una realidad. También se está utilizando en investigaciones criminales: en 2021, por ejemplo, un grupo de investigadores chinos informó que el eADN recolectado de los pantalones de un presunto asesino había revelado, contrariamente a sus afirmaciones, que probablemente había estado en el canal fangoso donde se encontró un cadáver.

Las preocupaciones sobre el ADNe no objetivo, en términos de precisión y su alcance en la medicina humana y la ciencia forense, ponen de relieve otra deficiencia mucho más amplia. Como Hanner, de la Universidad de Guelph, describió el problema: «Nuestros marcos regulatorios y políticas tienden a estar al menos una década por detrás de la ciencia».

“Todos los días veo surgir algo que no se me había ocurrido”.

Hoy en día, existen innumerables aplicaciones regulatorias potenciales para el monitoreo de la calidad del agua, la evaluación del impacto ambiental (desde parques eólicos marinos y la perforación de petróleo y gas hasta el desarrollo de centros comerciales más comunes), la gestión de especies y la aplicación de la Ley de Especies en Peligro de Extinción. En un caso judicial civil presentado en 2021, el Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE. UU. evaluó si existía un pez en peligro en una cuenca hidrográfica específica, utilizando ADN ambiental y un muestreo más tradicional, y concluyó que no era así. Los tribunales declararon que la falta de protección de la agencia para esa cuenca estaba justificada. La cuestión no parece ser si el ADN ambiental se sostuvo en los tribunales; de hecho, se sostuvo. “Pero realmente no se puede decir que algo no existe en un entorno”, afirmó Hajibabaei.

Recientemente destacó el problema de la validación: el ADNe infiere un resultado, pero requiere criterios más definidos para confirmar su veracidad (la presencia o ausencia de un organismo, o su cantidad). Una serie de reuniones especiales para científicos se dedicó a abordar estos problemas de estandarización, que, según él, incluyen protocolos, cadena de custodia y criterios para la generación y el análisis de datos. En una revisión de estudios de ADNe, Hajibabaei y sus colegas descubrieron que el campo está saturado de estudios puntuales o de prueba de concepto que intentan demostrar la eficacia de los análisis de ADNe. La investigación sigue estando, en su gran mayoría, aislada en el ámbito académico.

Por ello, quienes desean usar el ADN ambiental en contextos prácticos a veces preguntan por la luna. ¿Existe la especie en un lugar determinado? Por ejemplo, Hajibabaei comentó que alguien le preguntó recientemente si podía refutar totalmente la presencia de un parásito, demostrando que no había aparecido en una granja acuícola. “Y yo respondo: ‘Mira, no hay forma de que pueda asegurarlo al 100 %'”.

Incluso con un marco analítico riguroso, afirmó, los problemas con los falsos negativos y los falsos positivos son particularmente difíciles de resolver sin realizar una de las cosas que el ADN ambiental evita: la recolección tradicional y la inspección manual. A pesar de las limitaciones, varias empresas ya están empezando a comercializar la técnica. Por ejemplo, futuras aplicaciones podrían ayudar a una empresa a confirmar si el puente que está construyendo dañará a algún animal local en peligro de extinción; a una empresa de acuicultura a determinar si las aguas donde cría sus peces están infestadas de piojos de mar; o a un terrateniente que tenga curiosidad por saber si las nuevas plantaciones están atrayendo a una mayor variedad de abejas nativas.

El problema es bastante fundamental dada la reputación del eDNA como una forma indirecta de detectar lo indetectable, o como una solución alternativa en contextos en los que simplemente no es posible sumergir una red y atrapar todos los organismos del mar.

“Es muy difícil validar algunos de estos escenarios”, dijo Hajibabaei. “Y esa es básicamente la naturaleza de la bestia”.

…

El eDNA abre muchas posibilidades, respondiendo a una pregunta originalmente planteada por Barkay (y sin duda a muchos otros): “¿Quién está ahí?” Pero cada vez más proporciona pistas que también llegan a la pregunta “¿Qué están haciendo ahí?”. Elizabeth Clare, profesora de biología en la Universidad de York en Toronto, estudia la biodiversidad. Dijo que ha observado murciélagos durmiendo en un lugar durante el día, pero, al recolectar eDNA en el aire, también pudo inferir dónde socializan los murciélagos por la noche. En otro estudio , el eDNA de perro domesticado apareció en excrementos de zorro rojo. Los dos cánidos no parecían cruzarse, pero los investigadores se preguntaron si su cercanía había provocado confusión o contaminación cruzada, antes de finalmente decidirse por otra explicación: los zorros aparentemente comían excrementos de perro.

Si bien el eADN no revela inherentemente el comportamiento animal, según algunos informes, el campo está haciendo avances para proporcionar pistas acerca de lo que un organismo podría estar haciendo y cómo está interactuando con otras especies en un entorno determinado, obteniendo información sobre la salud sin observar directamente el comportamiento.

Tomemos otra posibilidad: el biomonitoreo a gran escala. De hecho, durante los últimos tres años, más personas que nunca han participado en un audaz experimento que ya está en marcha: la recolección de muestras ambientales de alcantarillas públicas para rastrear partículas virales de Covid-19 y otros organismos que infectan a los humanos. Técnicamente, el muestreo de aguas residuales implica un enfoque relacionado llamado eRNA, porque algunos virus solo tienen información genética almacenada en forma de ARN, en lugar de ADN. Aún así, se aplican los mismos principios. (Los estudios también sugieren que el ARN, que determina qué proteínas expresa un organismo, podría usarse para evaluar la salud del ecosistema; los organismos que están sanos pueden expresar proteínas completamente diferentes en comparación con los que están estresados). Además de monitorear la prevalencia de enfermedades, la vigilancia de aguas residuales demuestra cómo una infraestructura existente diseñada para hacer una cosa (las alcantarillas fueron diseñadas para recolectar desechos) podría transformarse en una poderosa herramienta para estudiar otra cosa, como detectar patógenos .

Clare tiene la costumbre de hacer precisamente eso. “Personalmente, soy de esas personas que tienden a usar herramientas, no como fueron diseñadas”, dijo. Clare fue una de las investigadoras que notó una brecha en la investigación: se había realizado mucho menos trabajo de ADN ambiental en organismos terrestres. Entonces, comenzó a trabajar con lo que podría llamarse un filtro natural, es decir, gusanos que chupan la sangre de los mamíferos. “Es mucho más fácil recolectar 1000 sanguijuelas que encontrar a los animales. Pero se alimentan de sangre en su interior y la sangre lleva el ADN de los animales con los que interactuaron”, dijo. “Es como tener un grupo de asistentes de campo haciendo un estudio para ti”. Luego, uno de sus estudiantes pensó lo mismo para los escarabajos peloteros, que son aún más fáciles de recolectar.

Clare lidera ahora una nueva aplicación para otro sistema de monitoreo continuo: aprovecha los monitores de calidad del aire existentes que miden contaminantes, como partículas finas, a la vez que extraen eADN del cielo. A finales de 2023, solo contaba con un pequeño conjunto de muestras, pero ya había descubierto que, como subproducto del monitoreo rutinario de la calidad del aire, estas herramientas preexistentes también funcionaban como filtros para el material que buscaba. Se trataba, en esencia, de una red transcontinental regulada que recolectaba muestras de forma muy consistente durante largos periodos. «Podría utilizarse para generar series temporales y datos de alta resolución de continentes enteros», afirmó.

Solo en el Reino Unido, según Clare, se estima que hay 150 sitios diferentes que absorben una cantidad conocida de aire cada semana, durante todo el año, lo que equivale a unas 8000 mediciones anuales. Clare y sus coautores analizaron recientemente un pequeño subconjunto de estos (17 mediciones en dos ubicaciones) y lograron identificar más de 180 grupos taxonómicos diferentes, más de 80 tipos de plantas y hongos, 26 especies de mamíferos, 34 especies de aves y al menos 35 tipos de insectos.

Ciertamente, existen otros sitios de investigación ecológica a largo plazo. Estados Unidos cuenta con una red de instalaciones de este tipo. Sin embargo, su ámbito de estudio no incluye una infraestructura distribuida globalmente que mida la biodiversidad constantemente, desde el paso de aves migratorias hasta la expansión y contracción de especies con el cambio climático. Se podría argumentar que el ADN ambiental probablemente complementará, en lugar de suplantar, la red distribuida de personas que registran observaciones tempoespaciales de alta resolución en tiempo real en sitios web como eBird o iNaturalist. Como una imagen borrosa de una galaxia completamente nueva que se vislumbra, la resolución actual sigue siendo baja.

“Es una especie de sistema de recolección generalizado, algo prácticamente inédito en la ciencia de la biodiversidad”, dijo Clare. Se refería a la capacidad de extraer señales de ADN ambiental de la nada, pero su opinión se refería al método en su conjunto: “No es perfecto”, dijo, “pero no hay nada más que realmente lo haga”.

Crédito de la imagen: Undark + DALL-E

Fuente: https://singularityhub.com/2024/04/02/environmental-dna-is-everywhere-scientists-are-gathering-it-all/