Tercer Milenio
En colaboración con ITA
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ADN ambiental: tras las huellas de las especies más esquivas y de ecosistemas desaparecidos
A partir del material genético que todo ser vivo deja en su hábitat, podemos estudiar el pasado, presente y futuro de la vida en la Tierra.
Por el solo hecho de existir los organismos vivos dejan tras de sí un rastro de ADN. Cuando un animal se mueve por su hábitat, se descaman células de la superficie de su cuerpo; durante su ciclo vital muda su pelaje, su piel, sus plumas o su exoesqueleto y, frecuentemente, libera en el ambiente tanto secreciones mucosas como sus heces. Todos estos elementos contienen células y, en consecuencia, su ADN.
Si este ADN se preserva en el medio (no es degradado por las bacterias) y los científicos pueden encontrarlo y leerlo, obtendrán una fotografía de las especies presentes en un hábitat concreto. Es lo que se conoce como ADN ambiental y, entre otras aplicaciones, su estudio es útil para describir la biodiversidad de los ecosistemas y disponer de información sobre el estado en el que estos se encuentran para poder protegerlos.
Para preservar un ecosistema, es indispensable conocer qué especies viven en él. Este conocimiento tradicionalmente se obtenía mediante muestreos de campo, con los que se identificaba a los principales animales y plantas de un área concreta. Aunque estos se siguen llevando a cabo, en la actualidad y gracias al ADN ambiental, los científicos ya no necesitan capturar directamente a los animales ni tomar muestras de plantas. Pueden detectar de forma indirecta su presencia en el ecosistema a partir del rastro que han dejado en él en forma de ADN.
Los científicos analizan muestras de agua, pero también de tierra o de aire, para aislar el ADN presente en ellas y ‘leer’ pequeños fragmentos de texto genético que les indican qué especies están presentes en un determinado lugar. Con estas técnicas innovadoras los biólogos obtienen una imagen más detallada que la que proporciona solo la observación directa. Sin embargo, los métodos de ADN ambiental no sustituyen a los tradicionales sino que constituyen un valioso complemento.
Desde el punto de vista de la conservación de los ecosistemas, las técnicas de ADN ambiental permiten considerar grupos más amplios de organismos y no solo unas pocas especies de mamíferos, aves, insectos o plantas; y también incluir a organismos de pequeño tamaño, tanto microorganismos como pequeños invertebrados, u otros cuya presencia es rara, y que de otra forma sería difícil caracterizar.
También ha abierto la puerta a que los biólogos puedan estudiar hábitats más extensos o durante periodos de tiempo más largos para ver su evolución, ya que la toma de muestras y su análisis en el laboratorio son más fáciles y menos costosos.
Las fuentes de las que se ha obtenido ADN ambiental son diversas: ha podido aislarse de muestras de tierra, del agua del mar o de un río, de las heces de un animal e incluso del aire o de la nieve. Se ha obtenido ADN de la superficie de los pétalos de flores y con él se han estudiado los insectos polinizadores que interactúan con ellas. Y también se ha conseguido recuperar ADN de sedimentos antiguos que ha permitido identificar en ellos plantas y animales extintos.
En el laboratorio se extrae el ADN de las muestras ambientales y, para estudiarlo, los investigadores realizan múltiples copias de unas determinadas regiones que emplean a modo de códigos de barras con los que identifican a las especies presentes. Este tipo de métodos reciben el nombre de ‘metabarcoding’ (‘barcode’ en inglés significa código de barras).
Con el ADN ambiental, los científicos pueden caracterizar las especies que merodean por las profundidades de los océanos, describir la diversidad de seres vivos en un ecosistema y realizar el seguimiento y control de especies invasoras. Se ha aplicado para rastrear los brotes de enfermedades infecciosas, como por ejemplo la covid, mediante el análisis del ADN presente en las aguas fecales de una ciudad. Y si ponemos la mirada en el pasado, también se ha empleado para estudiar ecosistemas desaparecidos hace mucho tiempo, a partir de las trazas de ADN preservadas en el permafrost, o para detectar los distintos grupos de humanos arcaicos que poblaron una misma cueva en Siberia a lo largo de centenares de miles de años, analizando el ADN presente en los sedimentos. Sus aplicaciones son infinitas.
Una mirada al pasado: ADN antiguo en los sedimentos
A finales del año pasado, un equipo de investigadores coordinado por el genetista Eske Willerslev y el geólogo Kurt H. Kjær dio a conocer el hallazgo de ADN de dos millones de años de antigüedad en el permafrost de Groenlandia. Se trata del ADN más antiguo jamás encontrado, y dobla el anterior récord que ostentaba el ADN aislado de dientes de mamut preservados en el permafrost de Siberia. A diferencia del ADN de mamut de un millón de años de antigüedad, el hallazgo actual corresponde a ADN ambiental –miles de fragmentos de este– y, por ello, constituye una extraordinaria herramienta con la que reconstruir un ecosistema desaparecido hace mucho tiempo.
Gran parte de la fauna y la flora de tiempos pretéritos no ha fosilizado, pero ha dejado su rastro en forma de ADN en los sedimentos. Ya en 2003, un primer estudio en el que también participó Willerslev demostró la presencia de trazas de ADN de animales extintos como las moas gigantes (de 3.000 años de antigüedad) o los mamuts lanudos (de 30.000 años) en sedimentos de Nueva Zelanda y de Siberia. En este estudio pionero, se identificó también ADN de sauces y margaritas de más de 400.000 años de antigüedad en el sedimento del permafrost siberiano.
Durante años, Willerslev y Kjær intentaron infructuosamente encontrar ADN en el norte de Groenlandia, en la formación geológica de Køb København. Pero no fue hasta 2017 cuando dieron con el oro: el permafrost estaba repleto de ADN. Por el camino, se produjeron avances en las técnicas de obtención, secuenciación y análisis del ADN antiguo, que han sido cruciales para este hallazgo.
En el actual estudio se han podido caracterizar fragmentos de ADN de 135 especies distintas. Su análisis indica que hace dos millones de años, el ecosistema del norte de Groenlandia, a solo 1.000 kilómetros del Polo Norte, era un bosque boreal abierto de álamos, abedules y tuyas, con variedad de arbustos y otras especies vegetales. Los científicos han detectado 102 especies de plantas, de las que 24 jamás habían sido identificadas en esta región a partir del estudio de los fósiles o del polen. También han encontrado ADN de mastodontes, renos, liebres árticas, lemmings y gansos. Y de especies marinas como el cangrejo herradura –que en la actualidad no se encuentra más al norte de Maine– y algas verdes. Ambos confirmarían la existencia de un clima más cálido que el actual.
En este tipo de estudios, los investigadores deben cerciorarse de que las muestras no se hayan contaminado con ADN actual, que alteraría los resultados. Por un lado, el ADN antiguo se encuentra muy fragmentado y contiene modificaciones químicas específicas incorporadas con el paso del tiempo, que permiten distinguirlo del actual. Y por otro, este estudió reveló que el ADN de mastodonte encontrado en el permafrost pertenece a un grupo ancestral desconocido y que el de abedul no contiene mutaciones presentes en las especies actuales.
El ADN ambiental tiene más posibilidad de preservarse si se une a moléculas inorgánicas como los minerales de feldespato o de arcilla. El equipo de Kurt H. Kjær está explorando sedimentos en Canadá de 4 millones de años de antigüedad en búsqueda de un nuevo récord. Sin embargo, los investigadores indican que el límite más allá del que sería muy difícil encontrar ADN antiguo se situaría en torno a los 5 millones de años.
ADN humano por todas partes
Uno de los problemas con los que se encuentran los biólogos que estudian la biodiversidad de los ecosistemas a partir del ADN ambiental es que miren donde miren, encuentran ADN humano. Para ellos es un estorbo porque interfiere en sus estudios. Pese a eso, lo descartan y se centran en analizar los segmentos cortos de ADN que emplean como ‘códigos de barras’ para identificar a las especies. Sin embargo, un equipo de ecólogos de la Universidad de Florida, después de encontrar gran cantidad de ADN humano en las muestras con las que habitualmente estudian las enfermedades de las tortugas marinas, se preguntó si, a partir de este ADN, se podría extraer información sobre los habitantes de una determinada zona.
En un estudio publicado este mes en ‘Nature Ecology & Evolution’, los investigadores han demostrado que se puede obtener información genómica de las personas fácilmente, del mismo modo que se obtiene de las especies que estudian. A partir de una muestra de agua de un arroyo, recabaron información genética sobre la ascendencia de las personas de esa área y vieron que esta coincidía en gran medida con la identidad racial indicada en el censo. También identificaron factores genéticos de relevancia médica como, por ejemplo, mutaciones relacionadas con un mayor riesgo de padecer diabetes, enfermedades cardíacas y oculares. Incluso aislaron una secuencia de ADN mitocondrial suficientemente completa que podría utilizarse para identificar a la persona de la que procede.
Aunque esta información genética podría tener aplicaciones beneficiosas en salud pública, expertos en bioética alertan también de las implicaciones éticas y legales que el ADN ambiental tendría sobre la privacidad de las personas.
Leyendo códigos de barras
Para poder identificar las especies presentes en una muestra de ADN ambiental, se analizan unas determinadas regiones empleadas a modo de códigos de barras. Estas se 'leen' con técnicas de secuenciación masiva que permiten determinar la secuencia de nucleótidos (de 'letras') de una molécula de ADN y compararla, mediante algoritmos informáticos, con las existentes en las bases de datos. Cabe destacar que una muestra de ADN ambiental contiene, junto y revuelto, el ADN de centenares o incluso miles de especies y, por ello, es esencial disponer de estos códigos de barras que identifican distintos grupos de organismos o especies. Sin embargo, las bases de datos todavía no contienen el ADN de todas las especies y muchas secuencias se quedan sin identificar.
En una prueba piloto realizada por investigadores del Museo de Historia Natural de Londres analizando una muestra de tierra obtenida en el centro de esta ciudad, se detectaron 5.672 unidades taxonómicas operativas (UTO) distintas. Los biólogos emplean este término para referirse a especies distintas o bien taxones (grupos de organismos emparentados) presentes en la muestra estudiada. En este análisis se identificaron 995 UTO (o especies) de hongos, 620 de gusanos nematodos, 293 de insectos y otros artrópodos, 12 de gusanos de tierra y una gran diversidad de algas unicelulares y protistas microscópicos: un grupo en el que se incluyen organismos eucariotas tanto unicelulares como pluricelulares que no son animales, plantas u hongos.
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