Μια τυχαία εβδομάδα του Απριλίου το 2023, η περιοχή του πάρκου Washington Oaks Gardens στη Φλόριντα, ως συνήθως, έσφυζε από ζωή. Ένας αγριόγατος πέρασε από εκεί καταδιώκοντας γκρίζους σκίουρους, ένας στυγερός κροταλίας σύρθηκε μέσα από την πυκνή βλάστηση, ένας ψαραετός έκανε την εμφάνισή του, άγρια ζωή βούιζε ανάμεσα στις μεγάλες βελανιδιές (καφέ νυχτερίδες), ενώ ακούγονταν κουβέντες ανθρώπων με προγονική προέλευση από Αφρική, Ασία και Ευρώπη.
Οι επιστήμονες δεν είδαν κανένα από αυτά τα πλάσματα. Τα πήραν όμως «μυρωδιά» κυριολεκτικά. Και αυτό δεν είναι υπερβολή. Κατόρθωσαν χρησιμοποιώντας τεχνολογία αιχμής για την ανίχνευση DNA, να εντοπίσουν μέσα σε μικροσκοπικά σωματίδια οργανικού υλικού που αιωρούνταν στον αέρα, στοιχεία για την ύπαρξή τους, σε μια διαδικασία που κράτησε μόλις 2 ημέρες από τη συλλογή των δειγμάτων έως την ολοκλήρωση της ανάλυσης.
Συγκεκριμένοι οι επιστήμονες συνέλεξαν αερομεταφερόμενο DNA χρησιμοποιώντας αντλίες που αναρροφούσαν αέρα μέσα από φίλτρα και σκουπίζοντας επιφάνειες, όπως παράθυρα, όπου πιθανώς αυτό θα «κολλούσε».
Μια παρόμοια ανάλυση του αέρα του Δουβλίνου αποκάλυψε ένα πολύ διαφορετικό, αλλά εξίσου πλούσιο, πάνελ ζωής-μια μεγαλύτερη ποικιλία ανθρώπων που συνδέονταν γενετικά με διαφορετικά μέρη του κόσμου, καθώς και 221 διαφορετικά ανθρώπινα παθογόνα, και μάλιστα 7 φορές περισσότερα από ό,τι στη Φλόριντα.
Συνολικά, η εργασία, που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Nature Ecology & Evolution , δείχνει τις δυνατότητες των εργαλείων ανίχνευσης αερομεταφερόμενου DNA για την επιτήρηση της βιοποικιλότητας των μικροοργανισμών που προκαλούν ασθένειες και των χωροκατακτητικών ειδών.
Αλλά επειδή η μέθοδος καταγράφει επίσης γενετικό υλικό που προέρχεται από ανθρώπους, εγείρει ηθικά ερωτήματα σχετικά με τον τρόπο χρήσης αυτών των εργαλείων.
«Διαβάζοντας» το περιβαλλοντικό DNA
Την τελευταία δεκαετία, οι επιστήμονες αναλύουν όλο και περισσότερο το DNA που «αφήνουν» οι οργανισμοί στο νερό, τον αέρα και το χώμα, κοινώς γνωστό ως περιβαλλοντικό DNA ή eDNA. Μέσω αυτής της προσέγγισης έχουν εντοπιστεί ιοί που μεταδίδονται από ζώα και που θα μπορούσαν να πυροδοτήσουν την επόμενη πανδημία, και έχουν καταγραφεί είδη στον ωκεανό και στην ξηρά. Το eDNA είναι χρήσιμο κυρίως γιατί τα δείγματα μπορούν να ληφθούν από το περιβάλλον χωρίς να το διαταράσσουν σημαντικά.
«Η αλληλούχηση («διάβασμα») του DNA γίνεται όλο και φθηνότερη. Αυτό, σε συνδυασμό με τις εξελίξεις στην ταχύτητα και τη φορητότητα των εργαλείων, μας επιτρέπει να την εφαρμόζουμε εκτός εργαστηρίου, σε περιβαλλοντικά υποστρώματα και να αναλύουμε το eDNA για να συλλέγουμε πληροφορίες ώστε να παρακολουθούμε τη βιοποικιλότητα σε μια εποχή που χάνεται με πρωτοφανή ρυθμό όπως και να διερευνούμε διαφορές σε κάθε είδος ξεχωριστά χρησιμοποιώντας μεθόδους πληθυσμιακής γενετικής. Αυτό το περιβαλλοντικό DNA μπορεί να ληφθεί από διάφορα υποστρώματα (π.χ. έδαφος, νερό ή άμμο), από βιολογικά δείγματα (π.χ. κόπρανα από τον πληθυσμό ενδιαφέροντος) ή ακόμα και από τον αέρα, ο οποίος περιέχει τόσο μικροοργανισμούς, όσο και DNA που αποβάλλεται από πολυκύτταρους οργανισμούς. Η δειγματοληψία μπορεί να διαρκέσει από ώρες ως και μήνες», εξηγεί στο Dnews o μεταδιδακτορικός ερευνητής στο τμήμα υγείας και ιατρικών επιστημών, στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, και συν-συγγραφέας της νέας μελέτης, Ορέστης Νούσιας.
Παρότι η βασική κατεύθυνση του Έλληνα βιολόγου στην έρευνα είναι ο καρκίνος και η οργανισμική διακυτταρική επικοινωνία, στα πλαίσια της γενικότερης συνεργασίας του με τον επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, Ντέιβ Ντάφι, συνείσφερε στην ανάλυση γενετικού κώδικα με μια μέθοδο που ανέπτυξε για την ανίχνευση ειδών από το eDNA, καθώς και σε άλλες αναλύσεις, καταλήγοντας στην πρόσφατη δημοσίευση.
Η αλληλούχηση DNA με δειγματοληπτικό έλεγχο χρησιμοποιείται συνήθως για την αναζήτηση μικροοργανισμών και όχι μεγαλύτερων οργανισμών, αλλά η εν λόγω ερευνητική ομάδα κατάφερε να εντοπίσει αρκετά ίχνη ζώων, όπως π.χ. του αγριόγατου από το δείγμα της Φλόριντα και να το αντιστοιχίσει με έναν συγκεκριμένο πληθυσμό στο βόρειο τμήμα της πολιτείας. Επίσης, συγκέντρωσε αρκετά εκτεταμένες αναγνώσεις ανθρώπινου DNA για να προσδιορίσει την πηγή προέλευσής του από Ευρώπη, Ασία και Αφρική.
«Η αλληλούχηση του αερομεταφερόμενου DNA είναι γρήγορη, αξιόπιστη και μπορεί να εφαρμοστεί σε κλίμακα και σε κάθε επίπεδο ζωής, βοηθώντας μας να αξιολογούμε σε πραγματικό χρόνο τη σύνθεση της κοινότητας ενός περιβάλλοντος», αναφέρει ο δρ. Νούσιας.
«Πυροβολώντας» το DNA του περιβάλλοντος
Μέχρι τώρα η έρευνα για τη βιοποικιλότητα βάσει του αερομεταφερόμενου eDNA βασιζόταν σε μια τεχνική μοριακής βιολογίας (metabarcoding), που χρησιμοποιείται για την ταυτοποίηση οργανισμών πολλών ειδών σε ένα δείγμα ταυτόχρονα, αντί ενός είδους κάθε φορά, χρησιμοποιώντας αλληλουχίες DNA.
Οι ερευνητές στη νέα μελέτη χρησιμοποίησαν μια άλλη προσέγγιση γνωστή ως αλληλούχηση shotgun (τουφέκι), στην οποία όλο το DNA σε ένα δείγμα τεμαχίζεται τυχαία και δισεκατομμύρια από τις σύντομες αλληλουχίες του «διαβάζονται». Τα προγράμματα υπολογιστών αναζητούν ομοιότητες στα τμήματα που έχουν «διαβαστεί» και τα συναρμολογούν στην αρχική τους σειρά, δημιουργώντας μια μεγαλύτερη ακολουθία DNA, μέχρι το πλήρες γονιδίωμα.
«Η μέθοδος έχει το πρόσθετο πλεονέκτημα ότι μπορεί να διακρίνει όχι μόνο ποιος είναι εκεί έξω αλλά και τι ακριβώς κάνει, καθώς τα γονίδια που κωδικοποιούνται σε αυτές τις αλληλουχίες DNA μπορούν να αξιολογηθούν λειτουργικά για να προσδιοριστεί η επικράτηση ορισμένων βιολογικών χαρακτηριστικών ενδιαφέροντος (για παράδειγμα, η παρουσία και η αφθονία γονιδίων αντοχής σε αντιβιοτικά σε ένα περιβάλλον με βακτήρια)», αναφέρει ο Έλληνας επιστήμονας.
Η shotgun sequencing είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για την ανάλυση μεγάλων τμημάτων DNA ή ολόκληρων γονιδιωμάτων και έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε πολλούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου. «Στο παρελθόν η μέθοδος ήταν πολύ δαπανηρή και χρονοβόρα για χρήση στην τακτική επεξεργασία περιβαλλοντικών δειγμάτων», προσθέτει ο Ορέστης Νούσιας και συνεχίζει:
«Οι πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις έχουν μειώσει το κόστος της αλληλούχησης και μας έχουν επιτρέψει να λαμβάνουμε αποτελέσματα ακόμη και μέσα σε 2 ημέρες. Ένα νεότερο μηχάνημα είναι μικρότερο ακόμη και από ένα πακέτο τσιγάρων και μπορεί να συνδεθεί με έναν φορητό υπολογιστή, πράγμα πολύ σημαντικό αν σκεφτεί κάποιος ότι μηχανήματα προηγούμενης γενιάς είχαν το μέγεθος ενός μικρού οικιακού ψυγείου».
Όπως ο ίδιος εξηγεί η συγκεκριμένη εργασία είναι ένα σημαντικό βήμα προς έναν οικονομικά προσιτό τρόπο απόκτησης μιας ολοκληρωμένης εικόνας όλου του DNA που υπάρχει σε ένα περιβάλλον.
Το DNA μας είναι στον αέρα. Να ανησυχούμε;
Υπάρχουν όμως και ερευνητές που προβληματίζονται από τον κίνδυνο να εξαπατηθεί κάποιος και να καταλήξει σε ψευδώς θετικά αποτελέσματα όταν χρησιμοποιεί την προσέγγιση «shotgun». Για παράδειγμα η ομάδα του Ντάφι αναγνώρισε την ευλογιά σε ένα δείγμα θαλασσινού νερού της Φλόριντα, έναν ιό που δεν είναι γνωστό ότι κυκλοφορεί στη Βόρεια Αμερική. Ήταν ένα μικροσκοπικό κομμάτι DNA μέσα σε ένα δείγμα. Τι σήμαινε αυτό και πόσα μπορούσε κανείς να συμπεράνει από αυτό;
Κάποιοι άλλοι ανησυχούν για τις ηθικές επιπτώσεις της απόκτησης οποιασδήποτε γενετικής πληροφορίας από τον αέρα.
«Κάθε τεχνολογία, από τις απαρχές της ανθρωπότητας, από ένα απλό πέτρινο εργαλείο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ακονίσει ένα κομμάτι ξύλο ή για να σκοτώσει, μέχρι την πυρηνική ενέργεια που μπορεί να ηλεκτροδοτήσει ή να αφανίσει ολόκληρες πολιτείες, πρέπει να εξυπηρετεί τις ανάγκες της ζωής, την ευημερία των ανθρώπων και τη βιόσφαιρα συνολικά. Είναι βέβαιο ότι ένα καινούργιο κανονιστικό πλαίσιο είναι αναγκαίο για το eDNA, το οποίο θα διασφαλίζει το κοινό όφελος και δεν θα εξυπηρετεί ιδιοτελή συμφέροντα», σχολιάζει ο Έλληνας επιστήμονας.
Ο ίδιος, αν και δεν έχει ως προτεραιότητά του την έρευνα του eDNA, εκτιμά πως μία χρήσιμη εξέλιξη θα ήταν η χρήση του ως συμπληρωματικής μεθόδου στην εγκληματολογική έρευνα, για την διακρίβωση μετακίνησης ή όχι από περιοχή σε περιοχή ενός θύματος ή θύτη (δείγμα από τους πνεύμονες και μία υπογραφή βιοποικιλότητας της περιοχής που θα μπορούσε να την αποκλείσει), από το περιβάλλον εσωτερικών χώρων για έλεγχο παρουσίας και απουσίας ατόμων κλπ.
«Μία ενδιαφέρουσα ακόμη εξέλιξη και μία δουλειά που ετοιμάζουμε σχετικά με τον καρκίνο των πνευμόνων είναι το φιλτράρισμα της εκπνοής ασθενών και της ανάλυσης γενετικών μεταλλαγών και της προδιάθεσης τους να εμφανίσουν καρκίνο. Τέλος, η δυνατότητα της δειγματοληψίας άθικτων κυττάρων από το έδαφος και το νερό θα δώσει σημαντικές δυνατότητες στην πληθυσμιακή γενετική και στο eDNA», καταλήγει ο δρ Νούσιας, ο οποίος εργάζεται πάνω στους καρκίνους του ήπατος και των χοληφόρων αγγείων στο εργαστήριο του Καθηγητή Jesper B. Andersen σε δεδομένα αλληλούχησης RNA σε κυτταρικό επίπεδο (single cell) από όγκους ασθενών.
Προηγουμένως εργάστηκε στο Πανεπιστήμιο Yale, πάνω στη γονιδιωματική ανάλυση του καρκίνου με χρήση μεθόδων φυλογενετικής και προσεγγίσεις της πληθυσμιακής γενετικής για ανάπτυξη μεθόδων γενετικής ανάλυσης δεδομένων ασθενών με καρκίνο του πνεύμονα. Η εξειδίκευσή του έγκειται στη βιοπληροφορική και την γονιδιωματική, ιδιαίτερα στην ανάλυση και ερμηνεία σύνθετων γονιδιωματικών συνόλων δεδομένων.
