Immersos en una sopa de DNA

Un dia de tardor, gris i plujós com tants altres, Eske Willerslev, un estudiant danès de doctorat de la Universitat de Copenhaguen va mirar per la finestra. Les fulles caigudes s’amunteguen amb el vent, groguenques i humides, més enllà un gos estava fent les seves deposicions… Eske es pregunta en veu alta: “totes aquestes restes biològiques haurien de deixar empremta, restes del seu DNA haurien de trobar-se en els sediments del futur, fulles mortes, pol·len, fongs i femta… ha de quedar-ne la petjada”. El seu director de Tesi li va dir que mai no havia sentit una bestiesa més gran. Corrien els inicis del segle XXI, i clarament, el seu director de Tesi no va ser capaç de veure més enllà del que es coneixia en el moment, perquè avui dia aquesta gran fita és possible, gràcies als grans avenços en seqüenciació massiva, en recuperació de DNA antic i del DNA ambiental.

Tots hem escoltat per les notícies que es pot saber si hi ha infecció per covid en una població, analitzant les aigües residuals. De fet, mitjançant l’anàlisi de mostres d’aigua marines o d’aigua dolça, hi trobem restes cel·lulars dels animals i plantes que hi viuen. Per tant, es pot aïllar aquest DNA i seqüenciar. Tenir la seqüència massiva, milions i milions de lectures de fragments de DNA no és suficient per a reconèixer de quin organisme viu procedeix, cal fer una comparació amb els bancs de dades de tots els genomes que han sigut seqüenciats fins al moment. És com si cada genoma fos un puzle gegant, i tenim la foto completa del puzle, però quan seqüenciem, només tenim peces petites, que hem d’anar comparant amb la foto de referència per saber col·locar-les on van. Si no tenim foto del puzle gegant (és a dir, no tenim un genoma de referència) no podem identificar de quin organisme és el DNA que hem aïllat. Com més espècies tenim seqüenciades, més puzles complets i més fàcil és trobar on va la petita peça de DNA (milions de petites peces de DNA) que seqüenciem.

A més d’obtenir DNA de l’aigua, també es pot obtenir DNA de l’aire. Cada vegada que parleu, tossiu i respireu, expulseu cèl·lules de la vostra mucosa bucal o nasal, que contenen DNA. Hi ha articles en què demostren que, per exemple, obtenint mostres d’aire d’una cova, es pot obtenir DNA i en seqüenciar-lo, identificar quins animals hi viuen habitualment. El DNA que hi ha a l’aigua i a l’aire rep el nom de DNA ambiental, eDNA (environmental DNA). I com acabo de comentar-vos, és molt útil per a fer “mostreig” de les espècies (bacteris, plantes, animals…) que viuen en determinats hàbitats sense necessitat de veure’ls físicament. Vivim immersos en una sopa de DNA.

Encara podem anar més enllà i ens podem preguntar si Eske Willerslev realment estava tan desencaminat pensant que es podia aïllar DNA ambiental de sediments geològics molt antics, per tal de reconèixer quines espècies vivien en aquella època. És això possible? Es pot obtenir eDNA de bona qualitat de sediments de jaciments on vivien hominins, com ara neandertals (com podeu trobar en aquest article en què participen científics molt coneguts com ara Eudald Carbonell i José Luis Arsuaga). Estem parlant de sediments de fa uns 100.000 anys. El DNA que se’n va obtenir i analitzar va ser tant DNA nuclear (el que hem heretat 50% de cada progenitor i està dins del nucli cel·lular), com sobretot DNA mitocondrial, el que es troba dins dels mitocondris, que heretem exclusivament per via materna. Com us vaig explicar fa un temps, quan parlem de DNA antic, es degrada abans el DNA nuclear, del qual només en tenim una còpia per cèl·lula, mentre que és més fàcil que quedin restes de DNA mitocondrial, dels quals en tenim milers de còpies per cèl·lula.

Ara us podeu preguntar, si el DNA es fa malbé amb el temps, quin és el DNA més antic que s’ha pogut mai seqüenciar? Doncs fins fa molt poc, el DNA més antic era el d’un mamut siberià de fa aproximadament 1 milió d’anys, que havia quedat congelat i, per tant, preservat, en el permagel siberià; en el terra permanentment gelat que ara, a causa del canvi climàtic i l’increment de temperatura global, ha iniciat el desgel, tot revelant aquells organismes que van morir i quedar enterrats enmig del fred, fins ara, perenne.

Doncs bé, la notícia d’aquesta setmana és una fita increïble per a molts científics, i alhora, molt excitant. Un grup d’investigadors danesos liderat per Eske Willerslev ha aconseguit aïllar eDNA de sediments del permagel del nord de Groenlàndia, de fa uns 2,4 milions d’anys (recordeu que Groenlàndia és territori danès), i la sorpresa ha sigut majúscula perquè han pogut aïllar eDNA suficient que els ha permès identificar centenars d’espècies. Però deixeu-me anar a poc a poc, per poder entendre l’abast d’aquesta fita. La formació de Kap København és un desert àrtic, no hi ha quasi vida, turons amb pendents de sediments que s’han anat acumulant milers d’anys, rebent restes i sediments de rius i el mar, segons si era època de glaciació o no. Hi ha molt poques restes macrofòssils. Durant tres estades diferents, des del 2006 al 2016, van obtenir mostres verticals de sediments a metres de profunditat, amb la idea d’analitzar i extreure’n el DNA, però cada vegada que ho intentaven, era fallida. El DNA estava massa degradat, no semblava factible. Però amb la incorporació d’una científica especialitzada amb l’extracció química del DNA unit als minerals, han trobat la manera de purificar-lo. Penseu que el DNA és un àcid i està carregat negativament, per tant, pot unir-se a metalls o a diferents tipus d’elements minerals carregats positivament, com ara l’argila, les esmectites i el quars. Les esmectites són les que retenen millor el DNA (fins a 100 vegades més), però aquest no se separa fàcilment, mentre que el DNA unit a quars s’allibera millor. I aquest DNA unit a minerals queda preservat i no es degrada tan fàcilment com l’eDNA lliure.

Com us podeu imaginar, per a treballar amb eDNA s’ha d’anar amb molt de compte per a no contaminar les mostres, i els investigadors han d’anar ben coberts amb EPIs i guants de laboratori. El DNA tan antic no estava intacte. Hi havia molt poc DNA nuclear, per això, bàsicament han obtingut seqüències de DNA mitocondrial i de cloroplasts (un altre orgànul amb DNA, en aquest cas, exclusiu de vegetals). A més, les seqüències de DNA eren molt curtes (com si les peces del puzle estiguessin esmicolades), però van obtenir més de 2.000 milions de seqüències que podien ser comparades amb els bancs de dades dels genomes de les espècies seqüenciades actuals. Amb l’ajut de programes bioinformàtics i molta feina, han pogut identificar més de 102 gèneres de plantes terrestres, a més d’artròpodes com formigues i escarabats, algues i crancs, i animals terrestres pertanyents a diferents famílies, des de rosegadors, llebres, cérvols i rens, i també mastodonts, un gènere de megaherbívors proper a mamuts i elefants, ja extingit, que necessita una gran quantitat d’aliment per a sobreviure i que mai no s’havien trobat restes tant al Nord, sinó més al Sud i al continent nord-americà. Com van arribar els mastodonts fins a l’illa de Groenlàndia? No se sap, però el seu DNA mitocondrial ens indica que allí hi van viure, i no devien ser pocs perquè en quedin les restes entre els sediments de fa dos milions d’anys.

El conjunt de totes les mostres d’eDNA, el que podríem dir metagenoma, permeten dibuixar un ecosistema molt ric, on hi ha éssers vius terrestres, d’aigua dolça i salada, amb una gran diversitat biològica, amb una temperatura ambiental d’entre 11 a 19 graus superior a l’actual. I aquesta diversitat és només una petita mostra, ja que hi ha moltes seqüències de DNA que no poden ser comparades perquè no hi ha cap genoma de referència amb què comparar, s’hipotetitza que una bona part d’aquestes seqüències potser pertanyen a gèneres extingits, o a espècies molt allunyades de les que tenim actualment. Són peces del puzle que no tenen cap foto amb què comparar per a encaixar-les. Tanmateix, imagineu quantes possibilitats ens obre l’eDNA! Perfeccionant la tècnica, potser podrem obtenir més DNA de sediments encara més antics, i fer-nos la idea d’ecosistemes que actualment no existeixen, i amb espècies desconegudes que ni tan sols podem imaginar.

Per acabar, us recomano molt que veieu el vídeo divulgatiu d’Eske Willerslev, on podreu viure a través de les seves paraules l’emoció d’aquesta descoberta científica, amb unes imatges espectaculars, i on podreu veure com és ara aquest terreny erm de Groenlàndia i com devia ser fa 2 milions d’anys. És realment increïble!