I sena 1980-talet, vid en federal forskningsanläggning i Pensacola, Florida, använde Tamar Barkay lera på ett sätt som visade sig revolutionerande på ett sätt som hon aldrig hade kunnat föreställa sig vid den tiden: en rå version av en teknik som nu skakar om många vetenskapliga områden. Barkay hade samlat flera prover av lera – ett från en inre reservoar, ett annat från en bräckt bayou och ett tredje från ett lågt liggande saltvattenträsk. Hon lade dessa sedimentprover i glasflaskor i labbet och tillsatte sedan kvicksilver, vilket skapade vad som var giftigt slam.

Vid den tiden arbetade Barkay för Naturvårdsverket och hon ville veta hur mikroorganismer i lera interagerar med kvicksilver, en industriell förorening, vilket krävde förståelse för alla organismerna i en given miljö – inte bara den lilla del som med framgång kunde odlas i petriskålar i labbet. Men den underliggande frågan var så grundläggande att den förblir en av de grundläggande drivande frågorna inom biologin. Som Barkay, som nu är pensionerad, uttryckte det i en nyligen intervju från Boulder, Colorado: "Vem är där?" Och lika viktigt tillade hon: "Vad gör de där?"

Sådana frågor är fortfarande relevanta idag, ställda av ekologer, folkhälsotjänstemän, naturvårdsbiologer, rättsmedicinare och de som studerar evolution och antika miljöer – och de driver skoläderepidemiologer och biologer till avlägsna hörn av världen.

Den 1987 papper Barkay och hennes kollegor publicerade i Journal of Microbiological Methods skisserat en metod-"Direkt miljö-DNA-extraktion" - som skulle göra det möjligt för forskare att göra en folkräkning. Det var ett praktiskt verktyg, om än ganska rörigt, för att upptäcka vem som var där ute. Barkay använde den under resten av sin karriär.

Idag citeras studien som en tidig glimt av eDNA, eller miljö-DNA, ett relativt billigt, utbrett, potentiellt automatiserat sätt att observera livets mångfald och distribution. Till skillnad från tidigare tekniker, som kunde identifiera DNA från till exempel en enskild organism, samlar metoden också in det virvlande molnet av annat genetiskt material som omger den. De senaste åren har fältet vuxit rejält. "Den har sin egen tidskrift", säger Eske Willerslev, en evolutionär genetiker vid Köpenhamns universitet. "Det har ett eget samhälle, ett vetenskapligt samhälle. Det har blivit ett etablerat område.”

eDNA fungerar som ett övervakningsverktyg och erbjuder forskare ett sätt att upptäcka det som till synes oupptäckbart. Genom att ta prov på eDNA, eller blandningar av genetiskt material – det vill säga fragment av DNA, livets ritning – i vatten, jord, iskärnor, bomullspinnar eller praktiskt taget vilken miljö som helst tänkbar, även tunn luft, är det nu möjligt att söka efter en specifik organism eller sätt ihop en ögonblicksbild av alla organismer på en given plats. Istället för att sätta upp en kamera för att se vem som korsar stranden på natten, drar eDNA den informationen ur fotspår i sanden. "Vi är alla fjantiga, eller hur?" sa Robert Hanner, biolog vid University of Guelph i Kanada. "Det är bitar av cellulärt skräp som rinner av hela tiden."

Som en metod för att bekräfta närvaron av något är eDNA inte felsäkert. Till exempel kanske organismen som detekteras i eDNA faktiskt inte lever på den plats där provet samlades in; Hanner gav exemplet med en förbipasserande fågel, en häger, som åt en salamander och sedan bajsade ut en del av dess DNA, vilket kan vara en anledning till att signaler från amfibien finns i vissa områden där de aldrig fysiskt har hittats.

Ändå har eDNA förmågan att hjälpa till att leta reda på genetiska spår, av vilka en del försvinner i miljön, vilket erbjuder ett spännande – och potentiellt kyligt – sätt att samla in information om organismer, inklusive människor, när de går i vardagen.

.

Det konceptuella grunden för eDNA – uttalas EE-DEE-EN-AY, inte ED-NUH – går hundra år tillbaka i tiden, före tillkomsten av så kallad molekylärbiologi, och det tillskrivs ofta Edmond Locard, en fransk kriminolog som arbetade i början 20-talet. I en serie av papper publicerad 1929, Locard föreslog en princip: Varje kontakt lämnar ett spår. I huvudsak tar eDNA Locards princip till 21-talet.

Under de första decennierna fokuserade fältet som blev eDNA - Barkays arbete på 1980-talet - till stor del på mikrobiellt liv. När man ser tillbaka på dess utveckling verkade eDNA långsamt ta sig ut ur den ökända leran.

Det var inte förrän 2003 som metoden dök upp en försvunnit ekosystem. Ledd av Willerslev, drog 2003 års studie forntida DNA från mindre än en tesked sediment, vilket för första gången demonstrerade möjligheten att upptäcka större organismer med tekniken, inklusive växter och ulliga mammutar. I samma studie avslöjade sediment som samlats i en grotta i Nya Zeeland (som framför allt inte hade frusit) en utdöd fågel: moa. Det som kanske är mest anmärkningsvärt är att dessa applikationer för att studera forntida DNA härrörde från en enorm mängd dynga som tappades på marken för hundratusentals år sedan.

Willerslev hade först kommit på idén några år tidigare medan han funderade på en nyare dynghög: Mellan sin magisterexamen och doktorsexamen. i Köpenhamn befann han sig i lösa trådar, kämpande för att få ben, skelettrester eller andra fysiska exemplar att studera. Men en höst tittade han ut genom fönstret på "en hund som tog skit på gatan", mindes han. Scenen fick honom att tänka på DNA i avföring och hur det sköljdes bort med regn, utan att lämna några synliga spår. Men Willerslev undrade: "Kan det vara så att DNA:t kunde överleva?" Det var vad jag sedan satte upp för att försöka ta reda på det.”

Uppsatsen visade den anmärkningsvärda beständigheten hos DNA, som, sa han, överlever i miljön mycket längre än tidigare uppskattningar antydde. Willerslev har sedan dess analyserat eDNA i frusen tundra i dagens Grönland, som går tillbaka för 2 miljoner år sedan, och han arbetar med prover från Angkor Wat, det enorma tempelkomplexet i Kambodja som tros ha byggts på 12-talet. "Det borde vara det värsta DNA-bevarandet du kan föreställa dig," sa han. "Jag menar, det är varmt och fuktigt."

Men, sa han, "vi kan få ut DNA."

Willerslev är nu knappast ensam om att se ett potentiellt verktyg med till synes obegränsade tillämpningar – särskilt nu när framsteg gör det möjligt för forskare att sekvensera och analysera större mängder genetisk information. "Det är ett öppet fönster för många, många saker," sa han, "och mycket mer än jag kan komma på, det är jag säker på." Det var inte bara forntida mammutar; eDNA kan avslöja dagens organismer som gömmer sig mitt ibland oss.

Forskare använder eDNA för att spåra varelser av alla former och storlekar, vare sig det är en enskild art, till exempel små bitar av invasiva alger, ål i Loch Ness, eller en synlös mullvad i sand som inte har setts på nästan 90 år; forskare tar prov på hela samhällen, säg, genom att titta på eDNA som finns på vilda blommor eller eDNA som blåser i vinden som en proxy för alla besökande fåglar och bin och andra djurpollinatorer.

.

Nästa evolutionära steg framåt i eDNA:s historia tog form kring sökandet efter organismer som för närvarande lever i jordens vattenmiljöer. År 2008, a rubrik dök upp: "Vatten behåller DNA-minne av dolda arter." Den kom inte från stormarknadstabloiden, utan den respekterade branschtidningen Chemistry World, som beskriver arbete av den franske forskaren Pierre Taberlet och hans kollegor. Gruppen sökte upp brungröna oxgrodor, som kan väga mer än 2 pund och, eftersom de klipper ner allt i deras väg, anses de vara en invasiv art i Västeuropa. Att hitta bullgrodor involverade vanligtvis skickliga herpetologer som skannade kustlinjer med kikare som sedan återvände efter solnedgången för att lyssna efter deras samtal. De 2008 papper föreslog ett enklare sätt – en undersökning som krävde mycket mindre personal.

"Du kan få DNA från den arten direkt ur vattnet", säger Philip Thomsen, biolog vid Aarhus Universitet (som inte var inblandad i studien). "Och det kickstartade verkligen området för miljö-DNA."

Grodor kan vara svåra att upptäcka, och de är naturligtvis inte den enda arten som undviker mer traditionell, stövlar-på-marken-detektion. Thomsen började arbeta på en annan organism som notoriskt förväxlar mätning: fisk. Att räkna fisk sägs ibland vagt likna räkneträd – förutom att de strövar fritt på mörka platser och fiskräknare gör sin räkning med ögonbindel. Miljö-DNA tappade ögonbindeln. Ett översyn av publicerad litteratur om tekniken – även om den kom med förbehåll, inklusive ofullkomliga och oprecisa upptäckter eller detaljer om överflöd – fann att eDNA-studier på sötvattens- och marina fiskar och amfibier var fler än landlevande motsvarigheter 7:1.

2011 blev Thomsen, då fil.dr. kandidat i Willerslevs labb, publicerade en papper som visar att metoden kunde upptäcka sällsynt och hotade arter, såsom de som finns i låg förekomst i Europa, inklusive amfibier, däggdjur som utter, kräftdjur och trollsländor. "Vi visade att bara, typ, ett snapsglas vatten verkligen räckte för att upptäcka dessa organismer," berättade han Undark. Det var tydligt: ​​Metoden hade direkta tillämpningar inom bevarandebiologin för upptäckt och övervakning av arter.

2012 publicerade tidskriften Molecular Ecology ett specialnummer om eDNA, och Taberlet och flera kollegor beskrev en fungerande definition av eDNA som vilket DNA som helst isolerat från miljöprover. Metoden beskrev två liknande men lite olika tillvägagångssätt: Man kan svara på en ja- eller nej-fråga: Är oxgrodan (eller vad som helst) närvarande eller inte? Den gör det genom att skanna den metaforiska streckkoden, korta DNA-sekvenser som är speciella för en art eller familj, så kallade primers; kassaskannern är en vanlig teknik som kallas kvantitativ realtidspolymeraskedjereaktion eller qPCR.

Ett annat tillvägagångssätt, allmänt känt som DNA-metabarcoding, spottar i huvudsak ut en lista över organismer som finns i ett givet prov. "Du ställer liksom frågan, vad är här?" sa Thomsen. "Och då får du alla kända saker, men du får också några överraskningar, eller hur? För det fanns en del arter som du inte visste var närvarande.”

Man siktar på att hitta nålen i en höstack; den andra försöker avslöja hela höstacken. eDNA skiljer sig från mer traditionella provtagningstekniker där organismer, som fiskar, fångas, manipuleras, stressas och ibland dödas. De erhållna uppgifterna är objektiva; det är standardiserat och opartiskt.

"eDNA, på ett eller annat sätt, kommer att förbli en av de viktiga metoderna inom biologiska vetenskaper," sade Mehrdad Hajibabaei, en molekylärbiolog vid University of Guelph, som var pionjär med metabarcoding-metoden, och som spåras fiska cirka 9,800 XNUMX fot under Labradorhavet. "Varje dag ser jag något bubbla upp som inte föll mig."

.

Under de senaste åren, området för eDNA har expanderat. Metodens känslighet gör det möjligt för forskare att ta prov på miljöer som tidigare var utom räckhåll, till exempel genom att fånga eDNA från luften – ett tillvägagångssätt som lyfter fram eDNA:s löften och dess potentiella fallgropar. Luftburet eDNA verkar cirkulera på ett globalt dammbälte, vilket tyder på dess överflöd och allas närvaro, och det kan filtreras och analyseras för att övervaka växter och landlevande djur. Men eDNA som blåser i vinden kan leda till oavsiktlig kontaminering.

2019, Thomsen, t.ex. lämnade två flaskor med ultrarent vatten ute i det fria — den ena i en gräsmark och den andra nära en marin hamn. Efter några timmar innehöll vattnet detekterbart eDNA associerat med fåglar och sill, vilket tyder på att spår av icke-landlevande arter satt sig i proverna; organismerna bebodde uppenbarligen inte flaskorna. "Så det måste komma från luften," sa Thomsen till Undark. Resultaten tyder på ett tvåfaldigt problem: för det ena kan spårbevis röra sig, där två organismer som kommer i kontakt sedan kan samlas runt den andras DNA, och bara för att visst DNA är närvarande betyder det inte att arten faktiskt finns där .

Dessutom finns det heller ingen garanti för att närvaron av eDNA indikerar att en art är vid liv, och fältundersökningar behövs fortfarande, sade han, för att förstå en arts häckningsframgång, dess hälsa eller statusen för dess livsmiljö. Än så länge ersätter eDNA inte nödvändigtvis fysiska observationer eller samlingar. I en annan studie, där Thomsens grupp samlat Edna på blommor för att leta efter pollinerande fåglar, kom mer än hälften av det eDNA som rapporterades i tidningen från människor, kontaminering som potentiellt gjorde resultatet grumligt och gjorde det svårare att upptäcka pollinatörerna i fråga.

På liknande sätt, i maj 2023, ett team från University of Florida som tidigare studerat havssköldpaddor med eDNA-spår som lämnades när de kryper längs stranden publicerade ett papper som visade upp mänskligt DNA. Proverna var tillräckligt intakta för att upptäcka nyckelmutationer som en dag kan användas för att identifiera enskilda personer, vilket tyder på att den biologiska övervakningen också väckte obesvarade frågor om etiska tester på människor och informerat samtycke. Om eDNA fungerade som ett notnät, så sopade det urskillningslöst information om biologisk mångfald och slutade oundvikligen med, som UF-teamets tidning uttryckte det, "genetisk bifångst av människan."

Medan integritetsproblemen kring fotspår i sanden hittills verkar existera mestadels inom det hypotetiska området, är användningen av eDNA i juridiska tvister som rör vilda djur inte bara möjlig utan redan en realitet. Det används också i brottsutredningar: 2021, till exempel, en grupp kinesiska forskare rapporterade att eDNA samlats in från en misstänkt mördares byxor hade, tvärtemot hans påståenden, avslöjat att han sannolikt hade varit i den leriga kanalen där en död kropp hade hittats.

Oron för off-target eDNA, i termer av noggrannhet och dess räckvidd inom humanmedicin och kriminalteknik, belyser en annan, mycket bredare, brist. Som Hanner vid University of Guelph beskrev problemet: "Våra regelverk och vår policy tenderar att ligga minst ett decennium eller mer efter vetenskapen."

Idag finns det otaliga potentiella regulatoriska tillämpningar för övervakning av vattenkvalitet, utvärdering av miljöpåverkan (inklusive vindkraftsparker till havs och olje- och gasborrning till mer välutvecklad galleriautveckling), arthantering och upprätthållande av lagen om utrotningshotade arter. I en civilrättsligt mål som lämnades in 2021, utvärderade US Fish and Wildlife Service huruvida en utsatt fisk fanns i en viss vattendelare, med hjälp av eDNA och mer traditionell provtagning, och fann att de inte gjorde det. Domstolarna sa att myndighetens brist på skydd för den vattendelaren var motiverad. Frågan verkar inte vara om eDNA stod upp i domstol; det gjorde. "Men du kan verkligen inte säga att något inte existerar i en miljö," sa Hajibabaei.

Han nyligen markerad frågan om validering: eDNA härleder ett resultat, men behöver mer etablerade kriterier för att bekräfta att dessa resultat faktiskt är sanna (att en organism faktiskt är närvarande eller frånvarande, eller i en viss mängd). A serie särskilda möten för forskare arbetade för att ta itu med dessa frågor om standardisering, som han sa inkluderar protokoll, spårbarhetskedja och kriterier för datagenerering och analys. I en översyn av eDNA-studier fann Hajibabaei och hans kollegor att fältet är mättat med engångseffekter, eller proof-of-concept-studier som försöker visa att eDNA-analyser fungerar. Forskning är fortfarande överväldigande nedslöjad i den akademiska världen.

Som sådan frågar utövare som hoppas kunna använda eDNA i tillämpade sammanhang ibland efter månen. Finns arten på en viss plats? Till exempel, sa Hajibabaei, frågade någon honom nyligen om han helt kunde motbevisa närvaron av en parasit, vilket bevisade att den inte hade dykt upp på en vattenbruksfarm. "Och jag säger, 'Titta, det finns inget sätt att jag kan säga att det är 100 procent'."

Även med en rigorös analytisk ram, sa han, är problemen med falska negativa och falska positiva särskilt svåra att lösa utan att göra något av det som eDNA undviker – mer traditionell insamling och manuell inspektion. Trots begränsningarna har en handfull företag redan börjat kommersialisera tekniken. Till exempel kan framtida applikationer hjälpa ett företag att bekräfta om bron det bygger kommer att skada några lokalt hotade djur? en vattenbruksutrustning avgöra om vattnet där den odlar sin fisk är angripet av havslöss? eller en markägare som är nyfiken på om nya planteringar lockar ett bredare utbud av inhemska bin.

Problemet är ganska grundläggande med tanke på eDNA:s rykte som ett indirekt sätt att upptäcka det oupptäckbara – eller som en lösning i sammanhang när det helt enkelt inte är möjligt att doppa ett nät och fånga alla organismer i havet.

"Det är väldigt svårt att validera några av dessa scenarier," sa Hajibabaei. "Och det är i grunden vilddjurets natur."

.

Edna öppnar upp för många möjligheter och svarar på en fråga som ursprungligen ställdes av Barkay (och utan tvekan många andra): "Vem är där?" Men i allt högre grad ger det tips som leder till "Vad gör de där?" fråga också. Elizabeth Clare, professor i biologi vid York University i Toronto, studerar biologisk mångfald. Hon sa att hon har observerat fladdermöss rastande på ett ställe under dagen, men genom att samla in luftburet eDNA kunde hon också sluta sig till var fladdermöss umgås på natten. I en annan studera, eDNA för tama hund dök upp i rödräv. De två hunddjuren verkade inte vara korsningar, men forskare undrade om deras närhet hade lett till förvirring eller korskontaminering, innan de slutligen bestämde sig för en annan förklaring: Rävar åt tydligen hundbajs.

Så även om eDNA inte avslöjar djurbeteende i sig, gör fältet av vissa källor framsteg mot att ge ledtrådar om vad en organism kan göra, och hur den interagerar med andra arter, i en given miljö – samla in information om hälsa utan att direkt observera beteende.

Ta en annan möjlighet: storskalig bioövervakning. Under de senaste tre åren har faktiskt fler människor än någonsin tidigare deltagit i ett djärvt experiment som redan är igång: insamling av miljöprover från offentliga avlopp för att spåra virala Covid-19-partiklar och andra organismer som infekterar människor. Tekniskt sett involverar provtagning av avloppsvatten ett relaterat tillvägagångssätt som kallas eRNA, eftersom vissa virus endast har genetisk information lagrad i form av RNA, snarare än DNA. Ändå gäller samma principer. (Studier tyder också på att RNA, som bestämmer vilka proteiner en organism uttrycker, skulle kunna användas för att bedöma ekosystemens hälsa; organismer som är friska kan uttrycka helt andra proteiner jämfört med de som är stressade.) Förutom att övervaka förekomsten av sjukdomar, kan avloppsvatten övervakning visar hur en befintlig infrastruktur utformad för att göra en sak – avlopp var designade för att samla in avfall – kunde formas till ett kraftfullt verktyg för att studera något annat, som t.ex. upptäcka patogener.

Clare har för vana att göra just det. "Jag personligen är en av de människor som tenderar att använda verktyg - inte som de var avsedda," sa hon. Clare var bland forskarna som märkte en lucka i forskningen: Det gjordes mycket mindre eDNA-arbete på marklevande organismer. Så hon började arbeta med vad som kan kallas ett naturligt filter, det vill säga maskar som suger blod från däggdjur. ”Det är mycket lättare att samla 1,000 XNUMX blodiglar än att hitta djuren. Men de har blodmjöl inuti sig och blodet bär DNA från djuren de interagerat med, säger hon. "Det är som att ha ett gäng fältassistenter ute och mäter åt dig." Då tyckte en av hennes elever samma sak för dyngbaggar, som är ännu lättare att samla.

Clare leder nu en ny applikation för ett annat system för kontinuerlig övervakning – med hjälp av befintliga luftkvalitetsmonitorer som mäter föroreningar, såsom fina partiklar, samtidigt som de dammsuger eDNA från himlen. I slutet av 2023 hade hon bara en liten provuppsättning, men hade redan upptäckt att, som en biprodukt av rutinmässig luftkvalitetsövervakning, fungerade dessa redan existerande verktyg som filter för materialet hon är ute efter. Det var mer eller mindre ett reglerat, transkontinentalt nätverk som samlade in prover på ett mycket konsekvent sätt under långa tidsperioder. "Du kan sedan använda den för att bygga upp tidsserier och högupplösta data på hela kontinenter," sa hon.

Bara i Storbritannien, sa Clare, finns det uppskattningsvis 150 olika platser suger en känd mängd luft, varje vecka, året runt, vilket uppgår till cirka 8,000 17 mätningar per år. Clare och hennes medförfattare analyserade nyligen en liten delmängd av dessa – 180 mätningar från två platser – och kunde identifiera mer än 80 olika taxonomiska grupper, mer än 26 olika sorters växter och svampar, 34 olika däggdjursarter, 35 olika fågelarter, plus minst XNUMX sorters insekter.

Det finns säkert andra långsiktiga ekologiska forskningsplatser. USA har ett nätverk av sådana anläggningar. Men deras studieomfång inkluderar inte en globalt distribuerad infrastruktur som mäter den biologiska mångfalden ständigt - inklusive passage av flyttfåglar ovanför till expansion och sammandragning av arter med klimatförändringar. Förmodligen kommer eDNA sannolikt att komplettera, snarare än ersätta, det distribuerade nätverket av människor, som registrerar realtids-, högupplösta, tempo-spatiala observationer på webbplatser som eBird eller iNaturalist. Som en suddig bild av en helt ny galax som dyker upp, förblir den nuvarande upplösningen låg.

"Det är ett slags generaliserat insamlingssystem, vilket är ganska ovanligt inom vetenskapen om biologisk mångfald," sa Clare. Hon syftade på förmågan att dra eDNA-signaler ur tomma intet, men känslan talade till metoden som helhet: "Det är inte perfekt", sa hon, "men det finns inget annat som verkligen gör det."

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Undark. Läs ursprungliga artikeln.

Image Credit: Omörkt + DALL-E

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2024/04/02/environmental-dna-is-everywhere-scientists-are-gathering-it-all/