¿Qué es el ADN ambiental y por qué ofrece tanta información sobre los animales?

Los nuevos estudios sobre material genético, o ADN ambiental, que desprenden las plantas y los animales están proporcionando conocimientos biológicos sorprendentes.

Por Elizabeth Anne Brown
Publicado 8 ago 2022, 14:46 CEST
Un gran grupo de esponjas púrpura en el Caribe. Estas esponjas filtradoras acumulan ADN de las ...

Un gran grupo de esponjas púrpura en el Caribe. Estas esponjas filtradoras acumulan ADN de las aguas que las rodean, una fuente potencial de información importante para los investigadores genéticos.

Fotografía de Wild Horizon, Getty Images

Hacía más de 140 años que no se encontraba una sirena del Río Grande (una salamandra escurridiza de dos patas y un pie de largo protegida por el estado de Texas) cerca de Eagle Pass, una ciudad en la frontera entre Estados Unidos y México. Pero en 2019, la bióloga Krista Ruppert, ahora estudiante de doctorado en la Universidad Estatal de Mississippi (Estados Unidos), se dio cuenta de que no necesitaba tener una sirena en la mano para demostrar que todavía estaban allí.

Solo necesitaba una jarra de agua turbia para filtrar.

En Eagle Pass, Ruppert encontró suficiente ADN ambiental (material genético que queda cuando los organismos se arrastran, nadan o aletean a lo largo de su vida) para establecer que los escurridizos anfibios aún viven en la zona, en el extremo occidental de su área de distribución conocida.

En la última década, el ADN ambiental, o ADNa, ha revolucionado la investigación marina y acuática al permitir a los científicos tomar muestras de "todo un ecosistema" con un litro de agua. Ahora, tras una avalancha de experimentos en tierra firme en los últimos años, el ADNa se ha convertido en la llave maestra de los biólogos. Es una técnica relativamente barata, no invasiva y sencilla que puede modificarse para estudiar cualquier forma de vida, y a menudo requiere menos tiempo y trabajo que los métodos anteriores.

He aquí una muestra de los lugares más sorprendentes en los que los científicos han encontrado ADN oculto (desde playas hasta vientres de escarabajos o el viento) y lo que estos descubrimientos nos enseñan. 

Izquierda: Arriba:

Un estudio realizado en un zoológico del Reino Unido constató la presencia de más de 20 especies de animales en cautividad, pero también encontró el ADN de un erizo euroasiático salvaje que los cuidadores veían habitualmente deambulando por el recinto.

Fotografía de Ingo Arndt, Minden Pictures
Derecha: Abajo:

Prototipos del sistema de aspiración creado por la investigadora Elizabeth Clare y sus colegas para filtrar el ADN del aire. Los animales desprenden cantidades sorprendentes de material genético en el viento.

Fotografía de Nina Garrett

Detenerse y limpiar las rosas 

En 2017, investigadores de la Universidad de Aarhus, en Dinamarca, se arriesgaron: arrancaron un ramo de flores silvestres de dos campos daneses y las metieron en un baño químico para extraer el ADN de su superficie.

"En realidad, no estábamos seguros de que esto fuera a funcionar", dice la profesora adjunta de biología Eva Egelyng Sigsgaard.

Para su sorpresa, una sola flor de apio silvestre contenía ADN de 25 especies de insectos, arañas y otros artrópodos. En 56 flores, detectaron ADN ambiental de al menos 135 especies con una enorme diversidad, desde una gran cantidad de polinizadores, como polillas y abejas, hasta escarabajos depredadores.

"Lo impresionante es que tenemos especies que tienen un periodo de interacción muy corto (como los segundos que tarda una mariposa en sorber el néctar antes de huir) hasta especies que completan todo su ciclo vital en la flor", como los pulgones, dice Philip Francis Thomsen, otro profesor asociado de biología de la Universidad de Aarhus que ha investigado el ADN ambiental durante más de una década.

Las muestras de ADN ambiental tomadas de las flores podrían proporcionar una información muy necesaria sobre los polinizadores más activos de una región o especie vegetal. Por ejemplo, los científicos creen que las contribuciones de las polillas y las moscas están dramáticamente subestimadas y podrían ser un objetivo importante para los esfuerzos de conservación.

(Relacionado: ¿Podemos hackear el ADN de las plantas para ayudar a combatir el cambio climático?)

Patógenos en la arena 

De vuelta a Estados Unidos, las playas de arena blanca de Florida están cubiertas de ADN ambiental, y no sólo de los turistas. Un equipo de científicos de la Universidad de Florida ha recuperado material genético de las huellas de las aletas dejadas por las crías de tortuga boba, que pesan tanto como dos monedas de 20 céntimos de euro, en su camino desde el nido hasta el mar. 

El análisis posterior de las muestras de arena demostró que el ADN ambiental puede ayudar a los investigadores a controlar no sólo las especies, sino también la propagación de enfermedades.

Una cría de caguama se dirige al mar. Los estudios de ADN en la arena de la playa revelaron material genético de un virus que infecta a esta especie, pero que no se conocía en las crías.

Las diminutas huellas también contenían ADN ambiental del ChHV5, un virus que provoca los debilitantes crecimientos cancerosos de la fibropapilomatosis en tortugas jóvenes de muchas especies. El descubrimiento pone en entredicho la teoría predominante de que la enfermedad se transmite horizontalmente, ya sea a través de la columna de agua o por contacto directo entre tortugas jóvenes.

"Detectar el virus en una cría recién salida del cascarón abre un interrogante realmente grande sobre si la transmisión vertical" de la madre a la cría "también está en juego", dice Jessica Farrell, recién graduada en el doctorado de la Universidad de Florida y primera autora del estudio.

Eso "tendría un efecto realmente grande en términos de cómo tratar de mitigar esta enfermedad en el futuro", dice.

Cielos azules despejados

En el momento álgido de los confinamientos de 2020, Christina Lynggaard, que entonces era postdoctoral en la Universidad de Copenhague (Dinamarca), utilizó varios aspiradores para aspirar aire en el zoo de Copenhague. Ella y su asesora, Kristine Bohmann, profesora asociada de ecología molecular, no esperaban gran cosa: tal vez recogiera ADN de un okapi si se paraba en el establo de la especie, pensó.

Pero los resultados superaron sus sueños más descabellados. Al filtrar el aire en varios lugares del zoo, Lynggaard acabó detectando 49 especies de animales, algunos alojados hasta a cientos de metros de distancia: aves, reptiles, mamíferos e incluso peces que servían de alimento por especies depredadoras.

"Se nos puso la piel de gallina, se nos saltaron las lágrimas", dice Bohmann. "Lynggaard ha demostrado algo que puede cambiar todo el campo de la vigilancia de los vertebrados terrestres", refiriéndose a los animales vertebrados que viven en la tierra.  

Sin que Lynggaard lo supiera, un estudio casi idéntico se estaba realizando simultáneamente en un zoológico del Reino Unido. Sus resultados coincidieron con los del equipo danés, ya que encontraron 25 especies, entre las que se encontraba un erizo euroasiático salvaje que los cuidadores veían habitualmente deambulando por las instalaciones del zoo. 

Los dos descubrimientos marcaron un hito en la historia del ADN ambiental, pero lo que se perdió fue casi tan fascinante como lo que se encontró. Algunas especies nunca se detectaron, y el tamaño del cuerpo de un animal y el número de individuos no siempre parecían influir en la fuerza de las lecturas.

"Cuando paseaba por el zoo, tenía la idea de que si podía oler un animal, probablemente sería capaz de detectarlo", dice Beth Clare, profesora adjunta de biología en la Universidad de York (Canadá) y líder del estudio con sede en el Reino Unido. 

"Pensé que, si estoy oliendo lo que sea (hormonas, o feromonas, o el olor que desprenden), seguro que debe haber ADN transportado con esas gotas". Pero el ADN ambiental del residente más apestoso del zoo, un lobo de crin, eludió sus filtros. 

Ahora, ambos equipos trabajan para perfeccionar sus técnicas. Clare y sus colegas han desplegado cuatro rondas de prototipos en entornos naturales desde Ontario hasta los trópicos, dice, y están experimentando con la recogida pasiva (es decir, filtros sin aspiradora) de ADNe del polvo.

"Nuestro hallazgo más interesante es que el material no se acumula al azar", afirma. "Cuando los animales están activos, se detectan, [y] cuando entran en reposo también lo hace la señal".  

Estos nuevos descubrimientos, que se encuentran en fase de revisión para su publicación, suponen un gran alivio para Clare y una señal auspiciosa para el futuro del ADN ambiental en el aire.

"Una de las primeras preocupaciones era que no hubiera ninguna señal real, el riesgo de que todo estuviera en todas partes", explica. "Se ha sugerido que el viento simplemente movería el ADN por todas partes convirtiéndolo en una sopa homogénea. Nuestros datos sugieren lo contrario".

El océano abierto

La dinámica de la población del tiburón ballena, un enigmático gigante que prefiere las aguas profundas del océano abierto y no necesita salir a la superficie para tomar aire, sigue siendo una especie de misterio para los científicos.

Para saber cómo se relacionan las distintas poblaciones de este animal en peligro de extinción, los científicos suelen utilizar lanzas de mano para tomar biopsias de sus cuerpos.

Un banco de peces sigue a un tiburón ballena alimentándose frente a la costa de Australia Occidental. Los investigadores han demostrado que pueden utilizar el ADN ambiental para estudiar a estos animales, en lugar de tener que tomar muestras de tejido.

Fotografía de Daynjer-In-Focus, Getty Images

"Es como un pequeño cilindro que se obtiene (básicamente una sección transversal de la piel y del tejido graso) del tamaño de "la punta de tu dedo meñique", dice Laurence Dugal, candidato a doctor en la Universidad de Australia Occidental.

Pero una nueva investigación publicada en 2021 ha descubierto otra forma de acceder a los genes del tiburón ballena: acercarse a la bestia y destapar una botella de plástico reutilizable.

Recogiendo muestras de ADN ambiental a pocos metros detrás de los tiburones ballena, Dugal y su equipo obtuvieron lecturas lo suficientemente claras como para determinar los haplotipos de los tiburones individuales, marcadores genéticos que proporcionan información sobre dónde vivieron sus ancestros y su parentesco con otras poblaciones. Coincidían perfectamente con las biopsias tradicionales tomadas a los mismos individuos.

"Me pareció bastante sorprendente que fuéramos capaces de detectar una señal tan dominante de ellos en toda esta agua", explica.

Informantes invertebrados 

Pero el ADN no siempre se deja atrás: algunos bichos recogen de forma natural material genético de los organismos con los que interactúan a lo largo de su vida.

Un subcampo floreciente del ADNa es el ADNi, o ADN adquirido por invertebrados, en el que los "muestreadores naturales" proporcionan un práctico atajo a los científicos.

Los primeros estudios sobre esponjas marinas han revelado que crean depósitos accidentales de ADN ambiental cuando se alimentan por filtración, mientras que las sanguijuelas contienen un registro genético de sus anteriores comidas de sangre que puede durar hasta cuatro meses. Los investigadores también han recuperado ADN a nivel de especie de las tripas de los escarabajos peloteros que se alimentaron de las heces de otros animales, incluyendo material de cerdos barbudos y ciervos sambar.

Hojas de té que cuentan el pasado

Investigadores de la Universidad de Tréveris y del Instituto Max Plank (Alemania) han acercado su investigación sobre el ADN ambiental a sus hogares, tal vez de forma un tanto incómoda. En junio, el equipo informó del hallazgo de ADN ambiental de 1279 especies distintas de insectos, arañas y otros artrópodos en tés y especias comprados en tiendas de comestibles alemanas.

El té verde se llevó el primer premio (o el último, según se mire) con una media de 449 especies en cada muestra y, por extensión, en cada taza de té. Las muestras de perejil y manzanilla, menta y té verde contenían ADNa de una media de 200 especies.

El hallazgo de que el ADNa se conserva bien en la materia vegetal seca almacenada a temperatura ambiente desvela un potencial tesoro de nuevos datos, dicen los autores. Los especímenes botánicos históricos recogidos en todo el mundo durante siglos podrían contener información aún no examinada sobre las especies que los rodearon en vida. 

No es una solución definitiva

Pero la nueva disciplina no está exenta de inconvenientes: Incluso los mayores defensores del ADNa dicen que es un complemento, no un sustituto, de las técnicas tradicionales de muestreo sobre el terreno. 

Hasta ahora, el ADNa no puede revelar la edad, el sexo o la condición corporal de un organismo y, aunque se han hecho avances recientes, es difícil saber cuántos individuos hay detrás de la lectura de ADNa de una especie. Necesitaremos cámaras trampa y la antigua observación en persona durante muchos años. Y aunque la recogida de muestras puede ser de baja tecnología, la contaminación es una amenaza tanto en el laboratorio como en el campo. 

Aun así, es difícil exagerar la sensación de asombro que sienten los científicos ante el poder de la técnica. 

"Si alguna vez has estado en una selva tropical, has visto todos esos programas de naturaleza y sabes que hay mucha vida ahí fuera", dice Bohmann. "Luego llegas allí y apenas ves nada. Tienes que quedarte muy quieto y, si tienes suerte, oyes algo que salta. Pero con el ADNa, de repente obtienes esta instantánea de lo que hay ahí fuera: todo este mundo de diversidad se abre ante ti".

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.

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