În criminalistică, testarea ADN-ului a devenit esențială pentru investigațiile și procedurile judiciare. Testele ADN au dovedit prezența criminalilor la locul faptei, pe baza probelor de păr sau sânge, și au exonerat persoanele condamnate pe nedrept. Acest tip de ADN poartă denumirea de ADN din mediu (ADNe), deoarece este colectat din mediu, nu de la o persoană. Recent, oamenii de știință au început să analizeze și ADN-ul din mediu provenit de la organisme non-umane.
Toate organismele pierd în mod constant fragmente din corpul lor în mediul înconjurător, iar ADN-ul extras din aceste materiale ajută oamenii de știință să identifice organismele care trăiesc sau au trăit într-un mediu, chiar dacă organismul în sine nu poate fi văzut. Tehnologia ADNe promovează supravegherea sănătății publice și conservarea mediului, permițând oamenilor de știință să adune mult mai multe informații despre lumea vie.
Cum este identificat și secvențiat ADN-ul din mediu?
Datorită reducerii costurilor secvențierii ADN-ului și dezvoltării unor metode mai bune de colectare și analiză, cercetătorii pot acum afla mai multe lucruri despre lumea înconjurătoare pe baza rămășițelor de ADN. Deoarece eșantioanele colectate din mediu conțin ADN de la mai multe organisme, oamenii de știință utilizează indicatori unici ai unei specii, denumiți secvențe cod de bare, pentru a identifica speciile individuale.
Secvențele cod de bare sunt asemănătoare amprentelor umane, deoarece fiecare specie are o astfel de secvență unică. Ele sunt comparate cu codurile de bare dintr-o bază de date ce conține toate speciile. Fiecare secvență cod de bare nouă este plasată lângă ruda sa cea mai apropiată, creând astfel un arbore genealogic.
Secvențierea ADNe dintr-un grup de probe: o singură probă de mediu (de exemplu, sol sau apă) conține ADN de la mai multe specii. Oamenii de știință folosesc coduri de bare ADN unice pentru a identifica speciile găsite în probă (termenul „meta” denotă analiza mai multor specii).
Aplicații ale tehnologiei ADNe
Una dintre aplicațiile tehnologiei ADNe este supravegherea bolilor. Apele uzate au fost mult timp testată pentru identificarea ADN-lui (sau ARN-ului, un compus înrudit) microorganismelor cauzatoare de boli, denumite agenți patogeni, care se răspândesc prin alimente și apă contaminate. Pandemia de COVID-19 a stimulat interesul pentru testarea apelor uzate în mod mai larg, deoarece mulți alți agenți patogeni pot fi găsiți în apele uzate.
Supravegherea apelor uzate este un instrument important pentru monitorizarea răspândirii cazurilor de COVID-19 asimptomatice (infecții fără simptome) și presimptomatice (infecții înainte de apariția simptomelor), care sunt responsabile pentru o mare parte a răspândirii virusului. Atunci când oficialii din domeniul sănătății publice sunt alertați cu privire la niveluri mai mari decât cele normale de material genetic viral în apele uzate, aceștia pot răspunde eficient și proactiv prin testare țintită, urmărirea contactelor și măsuri de izolare localizate.
Pandemia de COVID-19 a oferit impulsul pentru a înființa sisteme suplimentare de supraveghere a bolilor apelor uzate la scară largă pentru alți agenți patogeni precum virusul hepatitei A și norovirusul. Mulți agenți patogeni circulă mereu, astfel încât sistemele de detectare timpurie a focarelor pot ajuta oficialii de sănătate publică să răspundă rapid atunci când apare un focar pentru a evita suprasolicitarea spitalelor. Urmărirea bolilor viitoare va beneficia de astfel de sisteme de supraveghere extinse.
O altă aplicație a tehnologiei ADNe este catalogarea speciilor din diferite habitate. Pentru a ajuta la eforturile de conservare, oamenii de știință cataloghează speciile din diferite habitate. Metodele tradiționale de catalogare, cum sunt evaluarea vizuală și capturarea, sunt stresante pentru animale, laborioase, mari consumatoare de timp și pot scăpa din vedere speciile foarte rare sau foarte mici.
Colectarea probelor de ADNe este ieftină, non-invazivă și sigură atât pentru speciile sălbatice, cât și pentru oameni. Metodele de colectare sunt suficient de sensibile pentru a prelua ADN-ul din sol, apă, aer și zăpadă. Prin colectarea ADN-ului din habitat, oamenii de știință pot identifica rapid speciile de plante, animale și microorganisme care trăiesc în habitatul respectiv, fără a fi nevoie să le observe și să le numere în mod individual.
ADNe poate fi colectat din multe surse diferite: solul și rocile subterane pot păstra ADN-ul timp de mii de ani, deci sunt deosebit de bune pentru studiul istoriei naturale. ADN-ul colectat din corpurile de apă oferă o imagine a organismelor care trăiesc în prezent în acele habitate.
Oceanele sunt dificil de explorat din cauza presiunii ridicate a apei, a lipsei de oxigen și a temperaturilor scăzute. ADNe poate fi colectat din apa de mare cu echipamente controlate de la distanță, atenuând astfel multe dintre aceste dificultăți. Chiar și așa, colectarea acestui ADN este dificilă din cauza vastității oceanului.
În acest demers, oamenii de știință au fost ajutați de spongieri (bureți de mare). Bureții își colectează hrana (microorganisme și alte resturi) prin filtrarea acesteia din apă. Pe măsură ce își filtrează alimentele, ADN-ul din apă este, de asemenea, captat și concentrat în corpul buretelui. Oamenii de știință au prelevat bucăți de țesut de burete și au reușit să găsească ADN de la zeci de specii de pești. Chiar și în Antarctica, unde biodiversitatea este mai mică decât în apele mai apropiate de ecuator, a fost identificat ADN de la pinguini, foci și stele de mare.
Colectarea ADNe din aer a început întâmplător când senzorii de poluare a aerului au captat ADN-ul de la diferite păsări, copaci și ciuperci. Acești senzori pot fi adaptați cu ușurință pentru a monitoriza și fauna sălbatică prin ADN-ul ei, ceea ce o transformă într-o tehnică promițătoare ce poate fi implementată rapid pentru conservarea mediului. Filtrele de aer sunt depozitate mult timp după ce au fost scoase din senzori. Un studiu a analizat retrospectiv filtrele stocate timp de 30 de ani concepute pentru a măsura radiațiile nucleare și a găsit suficient ADN pentru a măsura schimbările în diversitatea speciilor de-a lungul timpului.
De obicei, ADN-ul se degradează foarte repede în mediul înconjurător, dar dacă este păstrat corespunzător, poate fi suficient de intact pentru ca oamenii de știință să îl secvențieze. Locurile ideale pentru conservarea ADN-ului sunt cele cu temperaturi scăzute, lumină solară redusă (deoarece razele ultraviolete descompun ADN-ul) și ferite de evenimentele meteorologice majore. Cercetătorii au găsit ADN de plante și animale de acum mii de ani în stalagmitele din peșteri și permafrostul siberian.
ADN-ul din mediu le-a oferit oamenilor de știință o idee mai bună despre cum arătau habitatele din trecutul îndepărtat, suplimentând informațiile furnizate de fosile. Doar o mică parte din toate organismele care au trăit vreodată au devenit fosile și este foarte probabil ca unele specii, cum ar fi nevertebratele cu corp moale, să nu fi lăsat niciodată vreo urmă. Un studiu din 2022 al ADN-ului colectat din solul înghețat a arătat că, în urmă cu 2 milioane de ani, nordul Groenlandei era plin de viață vegetală și animală. Cercetătorii au găsit și ADN de la mastodonti, animale înrudite cu mamuții, oferind primele dovezi non-fosile ale acestora.
Provocări și perspective
Tehnologia ADNe poate fi asemănată cu un test medical, cu provocări similare de dezvoltare. Testele ADNe trebuie să fie riguros validate și standardizate, astfel încât toată lumea să fie de acord cu capacitatea acestora de a detecta diferite specii. Dacă ADN-ul unei specii este prezent în mediu, cât de încrezători suntem că acea specie este de fapt prezentă? ADN-ul ar fi putut de fapt să provină de la o altă specie similară?
De asemenea, nu este simplu să deducem abundența speciilor după cantitatea de ADN dintr-o probă. Unele animale pierd mai mult ADN decât altele, așa că mai mult ADN nu înseamnă neapărat mai mulți indivizi. Odată ce ADN-ul este colectat, acesta trebuie să fie comparat cu o bază de date pentru a identifica organismul sursă, ceea ce necesită baze de date cuprinzătoare și bine puse la punct.
Însă aceste provocări pot fi depășite cu suficient timp, investiții și studii. Ajutată de progresele în metodele de calcul și stocarea electronică a datelor, tehnologia ADN-ului de mediu face deja pași în supravegherea bolilor pentru sănătatea publică și în monitorizarea populațiilor de plante și animale pe fondul pierderii mari a biodiversității. Colectarea ADNe este atât rentabilă, cât și scalabilă și, în unele cazuri, poate fi adăugată la senzorii de mediu existenți. Perspectivele oferite de ADN-ul din mediu ne vor permite să monitorizăm de la distanță atât sănătatea mediului, cât și sănătatea umană și să examinăm istoria naturală a Pământului.