El ADN ambiental: nuevas herramientas para observar la biodiversidad

David Velázquez

Departamento de Biología, Universidad Autónoma de Madrid.

 

Doctor en Biología y profesor titular e investigador en el departamento de Biología de la UAM. Forma parte del grupo de investigación de microorganismos fotosintéticos: ecofisiología y biotecnología ambiental, y está especializado en limnología y ecología microbiana en ecosistemas de regiones polares y de alta montaña.

 @DVlqz |  @ant2arct

Medir la temperatura, la humedad, la precipitación o la calidad del agua resulta cada vez más sencillo. Existen sensores y técnicas capaces de registrar estas variables de forma continua y en muchos lugares al mismo tiempo. Observar la biodiversidad es bastante más complicado. Saber qué organismos viven en un ecosistema, cómo se distribuyen o de qué manera responden a un cambio ambiental requiere muestreos, tiempo y especialistas capaces de identificarlos.

Esta diferencia constituye uno de los principales retos del seguimiento ambiental. Podemos medir con bastante precisión las condiciones físicas de un ecosistema, pero todavía resulta difícil obtener información biológica con la misma rapidez y extensión. Además, una parte considerable de la biodiversidad está formada por organismos pequeños, poco abundantes o difíciles de observar. Las herramientas genómicas pueden ayudarnos a resolver esta diferencia. No reemplaza los inventarios de especies, las observaciones de campo ni las series ambientales de larga duración. Su verdadero valor aparece cuando se integra con estas aproximaciones. En ese contexto puede aumentar la sensibilidad del seguimiento, reducir el impacto de algunos muestreos y proporcionar información sobre organismos y procesos que resultan difíciles de estudiar por otros medios. Todos los seres vivos dejan material biológico en el medio. Escamas, pelos, polen, células, mucus, heces o pequeños fragmentos de tejido contienen ADN. Parte de este material puede recuperarse directamente a partir de muestras de agua, suelo, sedimento, aire o superficies naturales. Es lo que conocemos como ADN ambiental (eDNA). El ADN ambiental no es una única técnica, sino una forma de conectar una muestra ambiental con una pregunta biológica. Podemos utilizarlo, por ejemplo, para buscar una especie concreta, reconocer los grupos de organismos presentes en una muestra o estudiar los genes de una comunidad microbiana completa. La elección del método depende de lo que queramos conocer.

Las herramientas genómicas amplían nuestra capacidad para observar la biodiversidad, sobre todo su componente menos visible. No sustituyen el trabajo de campo ni el conocimiento de los especialistas, pero permiten detectar señales biológicas que hasta hace poco permanecían fuera de nuestro alcance. Sin embargo, no convierten automáticamente una muestra ambiental en una respuesta útil para la conservación. Para emplearlas correctamente debemos saber qué queremos detectar, qué significado tiene la señal recuperada y qué limitaciones tiene el método. Su incorporación a un programa de seguimiento debe comenzar con una pregunta concreta y cada pregunta puede requerir una muestra, una molécula y una técnica diferentes.Durante las Jornadas Científicas del Parque Nacional de la Sierra de Guadarrama hemos presentado algunas de estas herramientas, sus posibilidades y también las precauciones necesarias para interpretar correctamente sus resultados.

Esto ofrece varias ventajas para el seguimiento ambiental. Permiten aplicar procedimientos similares en numerosos lugares, repetirlos a lo largo del tiempo y reducir la necesidad de capturar o manipular organismos. También pueden aumentar la capacidad de detectar especies raras, poco abundantes o que pasan fácilmente inadvertidas. Las muestras y las secuencias pueden conservarse para analizarlas de nuevo en el futuro, opción que resulta especialmente interesante debido al avance continuo de las bases de datos genéticas y los métodos bioinformáticos. Una secuencia de ADN que hoy no podemos identificar quizá pueda reconocerse dentro de unos años. Así, el valor de una muestra no acaba necesariamente en el momento en el que se realiza el primer análisis, de la misma manera que ocurre con os datos ambientales. La gran sensibilidad de las técnicas moleculares es una ventaja, pero también obliga a interpretar los resultados con cautela. Encontrar ADN de un organismo en una muestra no significa siempre que ese organismo se encuentre vivo y activo en ese lugar en el momento del muestreo. El material genético puede permanecer durante un tiempo en el ambiente, desplazarse desde otro punto o proceder de restos biológicos en distintos estados de conservación. 

Por eso, las secuencias de ADN ambiental adquieren sentido cuando están acompañadas por información sobre el lugar y el momento en que se recogieron las muestras. La temperatura, la humedad, las características del suelo o del agua y el procedimiento empleado para conservar y analizar el material son datos esenciales. Sin ellos resulta difícil comparar campañas de seguimiento o distinguir un cambio ecológico de una diferencia causada por el método. También son necesarios controles que permitan detectar contaminaciones o errores durante el muestreo y el trabajo de laboratorio. A ello se suma la importancia de las bases de datos de referencia, utilizadas para comparar las secuencias recuperadas con las de organismos conocidos. Si un grupo biológico está poco representado en estas bases, algunas secuencias pueden quedar sin identificar o recibir identificaciones poco precisas. Aquí los desarrollos en taxonomía son críticos para ir mejorando las bases de datos de referencia.

El interés por utilizar ADN ambiental en programas de seguimiento exige protocolos comparables entre sí, pero la rápida aparición de nuevos métodos de muestreo y análisis dificulta esa estandarización. Incorporar estas herramientas a seguimientos de larga duración requiere, por tanto, procedimientos reproducibles y una documentación muy cuidadosa de cada etapa.

Reconstruir las comunidades invisibles

Una de las aplicaciones de estas herramientas es la metagenómica, que permite estudiar conjuntamente el ADN de los microorganismos presentes en una muestra ambiental. En lugar de cultivar cada microorganismo por separado, algo que no siempre es posible, se secuencia el material genético de toda la comunidad que forma el suelo, el agua o el aire de un ecosistema. A partir de millones de pequeños fragmentos de ADN se pueden reconstruir parcialmente genomas de microorganismos individuales. Estos genomas reciben el nombre de genomas ensamblados a partir de metagenomas (MAGs). Su análisis permite aproximarnos tanto a la composición de las comunidades microbianas como a las capacidades metabólicas de sus integrantes.

Los ejemplos que hemos presentado durante las jornadas proceden del proyecto MERIDIAN, que estudia cómo responden las comunidades microbianas a las alteraciones ambientales que se prevén en la Antártida y de otros ambientes de montaña. Esos ejemplos no proceden de investigaciones efectuadas directamente en la Sierra de Guadarrama. Sin embargo, permiten mostrar el tipo de preguntas que podrían abordarse en un espacio protegido. Los suelos, arroyos, lagunas y humedales de montaña albergan comunidades microbianas que responden a la temperatura, la humedad, la cubierta de nieve, la disponibilidad de nutrientes y las alteraciones humanas. Por esto, pensamos que, en el futuro, la información genómica podría complementar los seguimientos ya existentes y ayudar a detectar cambios difíciles de reconocer mediante observaciones convencionales. Para ello sería necesario establecer primero qué pregunta de conservación o gestión se desea responder y evaluar si una señal molecular puede proporcionar información útil.

El reto, en definitiva, no consiste solo en obtener más secuencias. Consiste en convertir esas secuencias en información ecológicamente interpretable. Cuando existe una pregunta bien formulada, un diseño de muestreo adecuado y suficiente información ambiental, las herramientas genómicas pueden ayudarnos a comprender mejor los ecosistemas y a detectar cambios que de otro modo podrían pasar inadvertidos.

Descargar la presentación